Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

Лабораторная работа 102

ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ОПТИМЕТРОМ ИКГ

Цель работы: ознакомиться с устройством горизонтального оптиметра ККГ, провести измерение толщины алюминиевой фольги и статистическую обработку результатов прямого измерения.

Назначение и устройство ИКГ. Оптиметр - оптикомеханический прибор, который служит для измерения линейных размеров абсолютным (в пределах шкалы) или относительным (сравнением о концевой мерой мины) методами. На горизонтальном оптиметре можно производить измерения толщины пластинок, диаметра шариков, внутренних диаметров.

ИКГ состоит из массивного штатива I (рио.1), на котором укреплены предметный столик 2, оптическая труба 3 с оптическим отсчетным устройством. В левой части трубы укреплен штифт 4, соприкасающийся с поверхностью измеряемого изделия. Отсчеты при измерении снимают по шкале окуляра 5,6 - пиноль-металлическая труба, внутри которой помещается стержень 9 с пружиной. Стержень может перемещаться вдоль оси вращением винта 7,

а положение наконечника 9 закрепляется винтом 8. Составной частью оптиметра является проекционное устройство ПН-6.

 Рис. I

Оптическая труба оптиметра - основная часть прибора (рис.2). Световой поток источника S , отражаясь от зеркала 3 и призмы П1 (явление полного внутреннего отражения), освещает шкалу Ш, которая находится в фокальной плоскости объектива ОБ и через окуляр ОК не видна, так как она закрыта призмой П1. Пройдя через призму П2 и объектив ОЕ, лучи падают на зеркало З2, в котором изображается шкала Ш. При отражении лучей от зеркала З2 изображение шкалы И по принципу автоколлимации создается объективом рядок с самой шкалой Ш так, что нулевой штрих совпадает с неподвижным указателем у .

Наблюдение ведется через окуляр ОК. Если совпадения нет, то его можно добиться смещением штифта 4 винтом 7 (см-рис.1). Измеряемая деталь, помещенная между наконечниками 4 и 9 (см.рис. I и 2), приведет к поступательному перемещению штифта 4, который повернет плоское зеркало З2 на угол φ .Изображение шкалы И смещается параллельно шкале Ш; величина смещения отсчитывается относительно неподвижного указателя.

 Рис. 2

Механические и оптические соотношения системы оптиметра подобраны так, что видимое в окуляр смещение изображения шкалы на одно деление соответствует осевому перемещению штифта на один микрон, т.е. цена деления прибора - I мк.

Измерения и обработки результатов измерений

1. Включить осветитель ИКГ через трансформатор в сеть (220 В).

2. Проверить в окуляре видимость изображения шкалы (при необходимости настройки прибора обратиться к лаборанту или преподавателю).

3. Произвести установку нуля с помощью микровинта 7.

4. Держатель наконечника 1С отвести влево и в появившийся зазор между наконечниками штифта и стержня 4 в 9 ввести фольгу. Изображение шкалы сместится относительно указателя; величина этого смещения равна толщине фольги.

5. Сделать десять измерений толщины фольги в равных ее местах (hi ). Перед каждым измерением проверять установку нуля шкалы.

6. Оценить случайную ошибку прямого измерения:

а). Значения отдельных измерений hi занести в табл.1.

б). Определить среднее арифметическое измеряемой величины

где n - число измерений.

 в). Найти остаточные ошибки и занести их в 3-й столбец табл.1.

 г). Определить среднюю квадратичную

 погрешность отдельного измерения:

.

Заполнить 4 столбец табл.1 квадратами разностей подсчитать сумму этих квадратов и вычислить Sn.

д). Устранить промахи. Проанализировать результаты измерений и отбросить промахи, если  обработку результатов вести без использования данных, подозреваемых на промахи. Если подозрения не оправдались,   и  вычислить из полного числа измерений.

е). Вычислить среднюю квадратичную погрешность среднего арифметического:

ж). По табл. Стьюдента определить коэффициент Стьюдента  для n=10 и заданной доверительной вероятности δ = 0,95.

з) Найти случайную ошибку (граница доверительного интервала) среднего значения измерения.

7. Оценить величину систематической ошибки:

а) определить величину погрешности прибора β;

б) найти коэффициент Стьюдента  для заданной доверительной вероятности δ=0,95 и бесконечно большого числа измерений;

в) вычислить систематическую ошибку измерения

.

8. Оценить границы доверительного интервала с учетом совместного влияния случайной и систематических ошибок.

При расчете пренебречь меньшей погрешностью, если одна из них меньше 1/3 другой.

9. Вычислить относительную ошибку измерения

10. Записать окончательный результат измерения

  при δ=0,95 и n=10.

Контрольные вопросы

I. Принцип работы ИКГ.

2. Теория ошибок прямого измерения:

а) прямые и косвенные измерения,

б) классификация погрешностей измерения; причины их возникновения; методы обнаружения и исключения.

в) абсолютная и относительная ошибки,

г) выборочный метод оценки погрешности результата из-мерения,

д) доверительная вероятность и доверительный интервал.

3. Объяснить полученную форму записи результата измерения.

4. Как повысить точность результата измерений?

Лабораторная работа № 1-3

Изучение динамики поступательного движения

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

Оборудование: измерительная установка.

Введение

Рассмотрим поступательное движение двух грузов, перекинутых через блок (рис. 1). Нить принимается нерастяжимой; массой нити, моментом инерции блока и трением в оси блока пренебрегаем.

Пусть m1 > m2. Уравнения движения для этого случая выглядят следующим образом:

m1g – Fнат = m1a,        (1)

Fнат – m2g = m2a,        (2)

где m1 и m2 – массы грузов; Fнат – сила натяжения нити; а – ускорение грузов; g – ускорение свободного падения.

Из (1) и (2) получаем

.                                                    (3) 

Описание установки

Экспериментальная установка (машина Атвуда) изображена на рис. 2.

На вертикальной колонке 1, закрепленной на основании 7, три кронштейна: неподвижный нижний 6 и два подвижных – средний 5 и верхний 4. Основание оснащено регулируемыми ножками 8, которые позволяют выравнивать положение прибора. Сверху на колонке закреплен ролик 3 и электромагнит (на рис. 2 не показан). Через ролик перекинута нить 2 с привязанными на ее концах одинаковыми грузами М. Электромагнит после подведения к нему питающего напряжения при помощи фрикционной муфты удерживает систему ролика с грузами в состоянии покоя.

Если на одну сторону блока прибавим небольшой груз массой m, тогда система грузов получит ускорение и, передвигаясь с этим ускорением, пройдет путь S1. На специальном кольце, закрепленном на среднем кронштейне, дополнительный груз будет отцеплен, и грузы пройдут уже равномерно путь S2.

На среднем и нижнем кронштейнах имеются фотоэлектрические датчики. При прохождении грузом положения датчика образуется электрический импульс, сигнализирующий о начале равномерного движения грузов и запускающий секундомер. После пересечения грузом линии фотоэлектрического датчика, закрепленного на нижнем кронштейне, соответствующий электрический импульс останавливает секундомер. Таким образом, автоматически определяется время прохождения t2 грузами расстояния S2.

К концу равноускоренного движения грузы имеют ускорение a и скорость V, связанные соотношением V = at1, отсюда

                                                   .               (4)

Время t1 можно определить из соотношения

                                .                           (5)

Со скоростью V  система грузов проходит расстояние S2 соответственно:

                                .                                (6)

Из выражений (4) – (6) несложно получить:

                                .                                  (7)

Подставляя (7) в (3), получим результирующее расчетное соотношение для получения ускорения свободного падения:

                                .                        (8)

Порядок выполнения работы

1. Проверить, находится ли система грузов М (без перегруза) в состоянии равновесия.

2. Установить верхний и средний кронштейны на заданные преподавателем положения (на кронштейнах имеются указатели положения).

3. Проверить, не задевают ли грузы М при движении кронштейны. Если задевают, то при помощи регулируемых ножек основания привести колонку прибора к вертикальному положению и отрегулировать положение кронштейнов.

4. Проверить визуально наличие и исправность заземления.

5. Подключить установку к сети питания. Переместить правый грузик в верхнее положение (нижний край груза на уровне риски на кронштейне). Нажать клавишу “Сеть”, при этом при ненажатых клавишах “Пуск” и “Сброс” электромагнит с помощью фрикционной муфты должен застопорить ролик 3.

Положить на правый груз дополнительный кольцевой грузик (“перегрузка”). Проверить, находится ли система в состоянии покоя (если система медленно перемещается, то можно слегка нажать на сердечник электромагнита).

6. Нажать на кнопку “Пуск” (система придет в движение). Записать измеренное значение времени движения грузика на пути S2. Нажать клавишу “Сброс”. Поднять груз в первоначальное положение. Нажать клавишу “Пуск” в “утопленном” положении, чтобы она перешла в нормальное (“неутопленное”) положение; ролик застопорится, и система готова к новым измерениям.

7. Повторить измерения с одним перегрузом 4 – 5 раз. Найти среднее значение времени движения <t2>.

8. Найти массу перегруза m на аналитических весах (если он не маркирован). Измерить и записать значения S1 и S2.

9. Рассчитать g по формуле (8).

10. Повторить измерения с другими перегрузами (по указанию преподавателя).

11. Найти среднее значение <g>.

12. Рассчитать погрешность определения g как погрешность косвенных измерений.

.

Дополнительное задание

Определить величину силы трения при измерении ускорения свободного падения на машине Атвуда.

Контрольные вопросы

Сформулировать законы Ньютона.

Какое движение называется равномерным, равноускоренным? Нарисовать графики зависимостей ускорения, скорости, пути от времени для равномерного и равноускоренного движения.

Как влияет на точность измерений величина расстояний S1 и S2? Величина перегрузки? Трение в блоке?

Почему измеренное ускорение свободного падения меньше чем 9,8 м/с2.

Список рекомендуемой литературы

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

   2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика: В 5 т. Т. 1. – М.: Наука, 1979. – 519  с.

 3. Каленков С.Г., Соломахо Г.И. Практикум по физике. Механика. – М.: Высш. шк., 1990. – 112 с.


Изучение цепи переменного тока