Задания на лабораторные работы для студентов

 

Тема: «Физические основы механики».

 

Занятие 1.

Инструктаж по технике безопасности. Вводная беседа по оценкам погрешностей измерений физических величин.

 

Задание:

1. Изучить виды измерений физических величин и способы оценки погрешностей этих измерений.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 1 «Обработка результатов физических измерений», используя методические указания к лабораторной работе № 1 по физике (авторы Васильева М.Е., Лагутин Б.М. РГУПС, 2000 г.):

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

 

1.   Прямые и косвенные измерения.

2.   Классификация ошибок.

3.   Что называется абсолютной погрешностью? Относительной? Как определяются эти погрешности при прямых и косвенных измерениях?

4.   Какие величины следует измерить в данной работе и какими инструментами следует пользоваться для измерения каждой величины?

5.   Сколько замеров одной и той же величины рекомендуется проделать? Почему?

6.   Как измерить высоту цилиндра с помощью штангенциркуля и диаметр с помощью микрометра?

7.   По каким формулам следует подсчитать относительную погрешность измерений объема и абсолютную погрешность измерений объема цилиндра, шара, параллелепипеда? Дайте вывод этих формул.

8.   В каком виде должен быть представлен окончательный результат измерения объема?

 

 

Занятие 2.

Выполнение лабораторной работы № 1 «Обработка результатов физических измерений». Подготовка к выполнению лабораторной работы № 4 «Изучение законов динамики поступательного движения тел».

 

Задание:

1. Обработать результаты измерений, выполненных в ходе работы № 1:

а) вычислить средние значения диаметра и высоты цилиндра:

             и            ;

б) определить абсолютные погрешности d и h:

                  и       

(если средние значения этих погрешностей (  и) получаются соответственно меньше точности микрометра и штангенциркуля, то за абсолютные погрешности измерений диаметра и высоты следует принять соответственно значения точности микрометра и штангенциркуля:мм    и мм);

в) определить значения относительных погрешностей:

                     и       ;

г) вычислить среднее значение объема цилиндра: ;

д) относительную погрешность косвенного измерения V вычислить по формуле:

,   где ;

е) определить абсолютную погрешность измерения объема: ;

ж) записать истинное значение объема цилиндра: .

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 4 «Изучение законов динамики поступательного движения тел», используя методические указания к лабораторной работе № 4 (авторы В.А. Попов, И.Д. Петров, РГУПС, 2002 г.):

·        повторить законы динамики материальной точки;

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

 

  1. Сформулируйте первый закон Ньютона. Что такое масса тела?
  2. Сформулируйте второй закон Ньютона. В каких системах отсчета выполняется этот закон?
  3. Является ли первый закон Ньютона следствием второго закона?
  4. Сформулируйте третий закон Ньютона.
  5. Сделайте рисунок, на котором покажите векторы сил, действующих на тела в рассматриваемой системе, и запишите уравнения движения грузов.
  6. Покажите, что ускорение грузов прямо пропорционально массе перегрузков.
  7. Каким образом в данной работе определяется сила трения и масса системы?

 

Занятие 3.

Выполнение лабораторной работы № 4 «Изучение законов динамики поступательного движения тел».

Подготовка к выполнению лабораторной работы № 8 «Изучение законов вращательного движения твердого тела с помощью маятника Обербека»

 

Задание:

1. Обработать результаты измерений, выполненных в ходе работы № 4:

а) по формуле  вычислить ускорение системы грузов, используя среднее значение времени;

б) по формуле (- разность количества перегрузков на грузах А и В; - масса одного перегрузка; - ускорение свободного падения) определить силу  тяжести перегрузков и занести в таблицу;

в) построить график зависимости ускорения грузов от силы ;

г) определить относительную и абсолютную погрешности измерения ускорения;

д) отложить на графике вертикальные отрезки  (усы) для всех экспериментальных точек. Провести прямую линию таким образом, чтобы она пересекала усы всех экспериментальных точек, проходя как можно ближе к самим точкам (примерный вид графика, построенного с учетом погрешностей измерения ускорения, приведен на рисунке);

е) проанализировать полученный график; определить по графику силу трения, действующую в блоке, а также массу грузов с перегрузками: силу трения дает отрезок ОК на оси абсцисс; массу системы определяет котангенс угла наклона графика к оси абсцисс.

 

 

 


    а, м/с2

                                                               *

                                           *                           

                                   

                                  *

                        *

               

               *    

о     к                                                              F, н    

 

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 8 «Изучение законов вращательного движения твердого тела с помощью маятника Обербека», используя методические указания к лабораторной работе № 8 (авторы Сухоруков В.Л., Шевченко Н.Б., Щаренский М.А., Лагутин Б.М., РГУПС, 2002 г.):

·        выучить законы динамики твердого тела;

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

1.   Что такое момент силы? В каких единицах измеряется момент силы?

2.   Каким образом при выполнении данной работы используется аддитивность момента инерции?

3.   Выведите рабочую формулу   с точки зрения динамики твердого тела.

4.   Объясните физический смысл всех величин, входящих в данную формулу. В каких единицах они измеряются?

5.   Что такое момент инерции тела?

6.   Влияет ли масса падающего груза на момент инерции маятника?

7.   Как связаны между собой линейное и угловое ускорения?

8.   Сформулируйте теорему Штейнера. Докажите теорему Штейнера.

 

Занятие 4.

Выполнение лабораторной работы №  8 «Изучение законов вращательного движения твердого тела с помощью маятника Обербека».

Подготовка к выполнению лабораторной работы № 9 «Определение момента инерции махового колеса».

Задание:

1. Обработать результаты измерений, выполненных в части 1 работы № 8:

·         вычислить  момент инерции ненагруженного маятника Обербека  по формуле ;

·         вычислить  и  по формулам  и ;

·         определить  по формуле ;

·         вычислить  по формуле ;

·         оценить ошибки измерений , , , ;

·         оценить, какой вид имеют зависимости , , ;

·         сравнить значения , полученные в каждом из четырех опытов, и вычисленные по формулам; объяснить отличия.

 

2. Обработать результаты измерений, выполненных в части 2 работы № 8:

·        вычислить  по формулам  и  ;

·        оценить ошибку в величинах , ;

·        оценить ошибку, связанную с пренебрежением размерами грузиков;

·        оценить ошибку, связанную с пренебрежением трением;

·        сравнить  , и объяснить отличие.

3. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 9 «Определение момента инерции махового колеса», используя методические указания к лабораторной работе № 9 (авторы Сухоруков В.Л., Шевченко Н.Б., Щаренский М.А., Лагутин Б.М., РГУПС, 2002 г.):

·        повторить законы динамики твердого тела;

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

1.   Как в данной работе определяется момент инерции махового колеса?

2.   Что такое момент инерции тела? Единица измерения момента инерции тела.

3.   От чего зависит момент инерции махового колеса?

4.   Изменится ли момент инерции махового колеса, если, сохраняя его размеры и форму, сделать его из дерева?

5.   Что такое момент силы? В каких единицах измеряется момент силы?

6.   Выведите рабочую формулу   с точки зрения закона сохранения энергии.

7.   Запишите уравнение движения груза и уравнение вращательного движения колеса.

 

Занятие 5.

Выполнение лабораторной работы №  9 «Определение момента инерции махового колеса».

Подготовка к выполнению лабораторной работы № 10 «Определение момента инерции тела произвольной формы»

Задание:

1. Обработать результаты измерений, выполненных в работе № 9:

·         вычислить  по формуле ;

·         оценить ошибку измерений ;

·         оценить зависимости ,  в предположении, что ;

·         на основе измерений  оценить массу махового колеса.

 

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 10 «Определение момента инерции тела произвольной формы», используя методические указания к лабораторной работе № 10 (авторы Сухоруков В.Л., Шевченко Н.Б., Щаренский М.А., Лагутин Б.М., РГУПС, 2002 г.):

·        повторить законы динамики твердого тела;

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

1.   Как в данной работе определяется момент инерции тела произвольной формы?

2.   Какое свойство момента инерции используется при выполнении данной работы?

3.   Что произойдет с моментом инерции тела, если при вращении оно закреплено зажимом не в центре?

4.   Зависит ли момент инерции тела от массы падающего груза, от времени и высоты его падения, как это следует из расчетной формулы? Обоснуйте свой ответ. 

5.   Выведите рабочую формулу   с точки зрения динамики изменения момента импульса.

6.   Запишите основное уравнение динамики вращательного движения. Объясните физический смысл входящих в него величин. В каких единицах они измеряются?

7.   Определение момента инерции. Общая формула момента инерции.

8.   Момент инерции диска, стержня, шара.

9.   Сформулируйте теорему Штейнера.

 

Занятие 6.

Выполнение лабораторной работы №  10 «Определение момента инерции тела произвольной формы»

Подготовка к выполнению лабораторной работы № 12 «Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника».

Задание:

1. Обработать результаты измерений, выполненных в работе № 10:

·         По формуле  вычислить моменты инерции ненагруженного  и нагруженного  прибора;

·         вычислить момент инерции тела по формуле ;

·         оценить ошибку в измерении ;

·         оценить массу тела на основе измерения его момента инерции.

 

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 12 «Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника», используя методические указания к лабораторной работе № 12 (авторы Сухоруков В.Л., Башкиров М.М., Тер-Оганесян В.И., Лагутин Б.М., РГУПС, 2002 г.):

·        изучить теорию гармонических колебаний;

·        изучить метод измерений, используемый в работе, и методику обработки результатов измерений;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

  1. Какие колебания называются гармоническими? Что такое частота, фаза, начальная фаза, амплитуда, период колебаний.
  2. Вывод формулы периода колебаний физического маятника.
  3. Что такое оборотный маятник и каковы его свойства?
  4. Каковы физические основы измерения ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника?

 

Тема: «Физика колебаний и волн».

 

Занятие 7.

Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника.

 

Задание:

1. Изучить теорию колебаний физического маятника. Проанализировать особенности оборотного маятника как разновидности физического маятника. Уяснить понятие приведенной длины физического маятника.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 12 «Определение ускорения свободного падения при помощи оборотного маятника», используя учебное задание к лабораторным работам по физике: механика,  колебания, волны (авторы Сухоруков В.Л. Башкиров М.М., Тер-Оганесян В.И., Лагутин Б.М., РГУПС, 1986 г.):

·        изучить метод измерения ускорения свободного падения, используемый в работе;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

1.     Какие колебания называются гармоническими? Что такое частота, фаза, начальная фаза, амплитуда, период колебаний.

2.     Вывод формулы периода колебаний физического маятника.

3.     Что такое оборотный маятник и каковы его свойства?

4.     Каковы физические основы измерения ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника?

 

Занятие 8.

Изучение затухающих колебаний.

 

Задание:

1. Изучить установку для исследования затухающих колебаний, включающую баллистический гальванометр, магазин сопротивлений, конденсатор, источник тока. Изучить теорию затухающих гармонических колебаний: дифференциальное уравнение и его решение. Уяснить основные характеристики затухающих колебаний: догарифмический декремент и добротность.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 13 «Изучение затухающих колебаний», используя учебное задание к лабораторным работам по физике: механика,  колебания, волны (авторы Сухоруков В.Л. Башкиров М.М., Тер-Оганесян В.И., Лагутин Б.М., РГУПС, 1986 г.):

·        изучить метод измерения частоты колебательной системы и изменяющейся во времени амплитуды колебаний;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

o       Какой вид имеет дифференциальное уравнение гармонических колебаний?

o       Что такое логарифмический декремент и добротность колеблющейся системы? Каков физический смысл этих характеристик?.

o       Оценить порядок величин логарифмического декремента и добротности для нескольких реальных колебательных систем.

 

 

Занятие 9.

Определение скорости звука методом резонанса.

 

Задание:

1. Изучить краткую теорию стоячих волн и резонатора с открытым и закрытым концом. Получить формулы для определения расстояний между соседними узлами или соседними пучностями стоячей звуковой волны через длину волны.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 15 «Определение скорости звука методом резонанса», используя учебное задание к лабораторным работам по физике: механика,  колебания, волны (авторы Сухоруков В.Л. Башкиров М.М., Тер-Оганесян В.И., Лагутин Б.М., РГУПС, 1986 г.):

·        изучить метод измерения длины звуковой волны с помощью резонатора, исходя из условий наилучшей слышимости максимумов и минимумов звука;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

o       Что такое стоячая волна? Резонатор?

o       Каково уравнение стоячей волны и как оно получается из уравнения бегущей волны?

o       Каковы физические основы определения скорости звука с использованием резонатора?

 

 

Тема: «Молекулярная физика и термодинамика».

 

Занятие 10.

Определение универсальной газовой постоянной методом откачки.

 

Задание:

1. Пользуясь уравнением Менделеева-Клапейрона, определить значение универсальной газовой постоянной . Установить взаимосвязь между основными параметрами состояния газа: давлением, объемом и температурой, рассматривая воздух как идеальный газ

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 21 «Определение универсальной газовой постоянной методом откачки», используя учебное задание к лабораторным работам по физике:

·        изучить метод измерения массы газа как разности масс колбы с исходным и конечным количеством газа;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

o       Какой газ называется идеальным?

o       Выведите уравнение состояния идеального газа

o       Сформулируйте газовые законы для изопроцессов

 

 

Занятие 11.

Определение коэффициента внутреннего трения жидкости методом Стокса.

 

Задание:

1. Изучить теорию внутреннего трения жидкости. Уяснить определение коэффициента внутреннего трения жидкости как ее основной силовой хириктеристики.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 24 «Определение коэффициента внутреннего трения жидкости методом Стокса», используя учебное задание к лабораторным работам по физике:

·        изучить метод определения коэффициента внутреннего трения жидкости, основанный на измерении характеристик падения металлического шарика в этой жидкости;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

o       Чем объясняется внутреннее трение жидкости?

o       Каков физический смысл коэффициента внутреннего трения?

o       Какие силы действуют на шарик в жидкости и как они изменяются в процессе падения шарика?

 

Занятие 12.

Определение коэффициента Пуассона для воздуха.

 

Задание:

1. Изучить понятия и уравнения термодинамики, позволяющие измерить коэффициент Пуассона. Рассчитать теоретически коэффициент Пуассона в приближении, что воздух является смесью двухатомных газов: азота и кислорода.

2. Подготовиться к выполнению лабораторной работы № 25 «Определение коэффициента Пуассона для воздуха», используя учебное задание к лабораторным работам по физике.

·        изучить метод Клемана-Дезорма определения коэффициента Пуассона, оценить преимущества и неточности метода;

·        сделать заготовку письменного отчета по лабораторной работе, в которой

указать название лабораторной работы, цель работы, приборы и принадлежности, кратко изложить методику измерений, привести рабочие формулы, подготовить таблицу для записи результатов измерений;

·        ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы:

o       Какой процесс называется адиабатическим? Приведите примеры процесса.

o       Сформулируйте уравнение Пуассона. Что такое коэффициент Пуассона?

o       В случае, если теоретический и измеренный коэффициента Пуассона заметно отличаются друг от друга, попытайтесь найти возможные причины отличий.