Изучение явления электропроводности Изучение явления внешнего фотоэффекта Тормозное рентгеновское излучение Молекулярные спектры

МЕХАНИКА

В лаборатории механики учащиеся применяют разнообразные измерительные инструменты в сочетании с действием автоматизированных установок. Лабораторные работы по механике направлены на освоение студентами методов статистической обработки данных физического эксперимента, методов исследования основных закономерностей поступательного и вращательного движения тел. Также изучаются свойства ряда важнейших механических величин.

Лабораторная работа № 1-1

Исследование распределения результатов физических измерений

Цель работы: определение параметров распределения результатов измерений и получение приближенного вида функции распределения.

Оборудование: микрометр, штангенциркуль, набор цилиндров.

Введение

Набор цилиндров (100 … 200 шт.), используемый в данной лабораторной работе – это совокупность одинаковых объектов, изготовленных в одинаковых условиях. Поэтому при измерении высоты (или диаметра) цилиндров, казалось бы, должна получаться одна и та же физическая величина. Однако в силу влияния большого количества причин, действующих случайно, совокупность высот цилиндров представляет собой набор случайных величин, моделирующих разброс результатов отдельных измерений в физическом эксперименте.

Это распределение характеризуется параметрами:

1) среднее арифметическое значение высоты ;

2) дисперсия ;

3) среднеквадратичная погрешность  (где n – число измерений).

Если бы число измерений было бесконечно большим, то <h> совпадало бы с истинным значением высоты цилиндра, а DSn c s. График распределения отдельных значений hi относительно <h> имел бы вид, подобный рис. 1. на с. 8. Число измерений ограничено, но и в этом случае удается получить приближенный вид функции распределения результатов измерений, построив гистограмму (столбчатую диаграмму).

Для построения гистограммы необходимо отрезок hmax – hmin (где hmax – максимальное из измеренных значений высот цилиндра, hmin – минимальное из измеренных значений высот цилиндра) разбить на N равных интервалов величины Dh, подсчитать число “попаданий” ni значений высот цилиндров в каждый интервал и относительную частоту попаданий в каждый интервал fi = ni / n.

Если значение высоты цилиндра попадает на границу интервалов, то этот цилиндр учитывается в правом интервале. Для количественного сравнения кривой Гаусса с гистограммой в последней по оси ординат необходимо отложить величину оценки плотности вероятности каждого интервала . Проделанные разбиения и расчеты в табличной форме имеют вид:

Число

интервалов

Интервал

ni

ni/(n·Δh)

1

hmin ¸ h1

n1

f1

f1/Δh

2

h1 ¸ h2

n2

f2

f2/Δh

.

………….

hN-1 ¸ hmax

nN

fN

fN/Δh

По значениям, представленным в таблице, строится гистограмма (см. рисунок). Как видно из рисунка, гистограмма – это совокупность прямоугольников, у которых одна сторона у всех равна ширине интервала Δh, а вторая – частоте попадания значений высот цилиндров в соответствующий интервал.

Порядок выполнения работы

Измерить высоты 100 … 200 цилиндров и результаты внести в отчет.

Определить по полученным значениям высот цилиндров: максимальное из измеренных значений высот цилиндров, минимальное из измеренных значений высот цилиндров, среднее значение высоты цилиндров, дисперсию распределения, среднеквадратичную погрешность распределения.

Разбить отрезок hmax – hmin на 6 ¸ 8 интервалов. Определить число попаданий и относительную частоту попаданий для каждого интервала. Полученные значения представить в табличной форме подобно таблице выше.

Построить гистограмму для распределения относительной частоты попаданий fi на миллиметровой бумаге.

Построить гистограмму оценки плотности вероятности ni/(n·Δh). Изобразить пунктиром там же Гауссову кривую по рассчитанным в п.2 значениям <h> и s2, воспользовавшись формулой .

Сравнить Гауссову кривую с гистограммой оценки плотности вероятности и проанализировать полученные результаты.

Контрольные вопросы

1. Как построить гистограмму?

2. Чем определяется число интервалов, на которое разбивается отрезок hmax – hmin при построении гистограммы?

3. Как в эксперименте добиться того, чтобы гистограмма точнее отображала функцию распределения результатов эксперимента.

4. Укажите способ определения дисперсии по известному виду кривой функции распределения.

Список рекомендуемой литературы

1. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. – М.: Наука, 1965. – 511 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 1. – М.: Наука, 1989. – 352 с.

3. Физический практикум. Механика и молекулярная физика / Под ред. В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1967. – 352 с.

 4. Методические указания к лабораторным работам по физике с обработкой результатов экспериментов на персональном компьютере/ Сост. О.Я. Бутковский, В.Н. Кунин; Под ред. В.С. Плешивцева. Владим. гос. ун-т. – Владимир, 1999. – 44 c.

Физика – наука опытная: главная роль в установлении физических закономерностей принадлежит эксперименту. Эксперимент – система логически связанных целенаправленных действий. В физике в основе опытов лежат методы измерений величин и поэтому центральным является понятие методики проведения измерений.

Косвенные измерения

Лабораторная работа Определение плотности твердых тел пикнометром Цель работы: освоение методов точного взвешивания на аналитических весах, определение плотности твердых тел и типа вещества.

Изучение динамики поступательного движения Цель работы: изучение законов динамики поступательного равномерного и равноускоренного движения, определение ускорения свободного падения.

Порядок выполнения работы

1. Подключить установку к сети тумблером «Сеть».Произвести установку нуля гальванометра.

2. Установить в обойму перед лампочкой оранжевый светофильтр (n1).

3. Включить источник постоянного тока тумблером «ИПТ» и заранее подать на фотоэлемент задерживающее напряжение 0,8 – 1,0 В, вращая ручку потенциометра «R».

4. Включить лампочку кнопкой «Свет» (в цепи фотоэлемента появится ток) и, удерживая ее, вращать ручку «R» до равенства тока нулю – т. е. подобрать точно задерживающий потенциал для фотоэлемента.

5. Измерить с точностью до одной сотой доли вольта задерживающий потенциал, предварительно рассчитав цену деления шкалы вольтметра. Десятые доли вольта отсчитываются по шкале прибора, сотые – оцениваются на глаз. Выключить лампочку. Данные занести в табл.2.1.

Таблица 2.1

№ п/п

n×10–15, Гц

U3, B

h, Дж×с

А, Дж

1

2

3

6. Установить зеленый светофильтр (n2) и повторитьпункты 4, 5.

7. Установить синий светофильтр (n3). и повторить пункты 4, 5. Выключить оба тумблера.

8. По формуле (2.7) (см. теоретическое введение) вычислить постоянную Планка (не менее трех раз) и найти среднее значение.

9. Используя формулу (2.6), вычислить работу выхода электрона из металла.

2.2.3 Теоретический минимум

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Вольт–амперная характеристика внешнего фотоэффекта и ее объяснение. Несостоятельность волновой теории в объяснении законов внешнего фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Красная граница фотоэффекта. Фотоэлементы, их характеристики. Применение фотоэлементов.


На главную