Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра физики
Решение лабораторных работ по физике для студентов университета путей сообщения ПГУПС.
Лабораторная работа по физике 100, 228, 241.1, 241.2, 243, 244, 245, 304, 310 и т.д.


ЛР 1 Исследование прямолинейного движения тел на машине Атвуда
ЛР 4 Изучение вращательного движения с помощью маятника Обербека
ЛР 106 Определение коэффициента трения среды методом падающего шарика
ЛР 131 Тепловое расширение твердых тел
ЛР 228 Исследование зависимости сопротивления полупроводника от температуры
ЛР 241.1 Расширение предела измерения амперметра. Определение внутреннего сопротивления эталонного амперметра
ЛР 241.2 Расширение предела измерения вольтметра. Определение внутреннего сопротивления эталонного вольтметра
ЛР 242 Определение емкости конденсатора
ЛР 243 Исследование источника ЭДС
ЛР 244 Определение удельного сопротивления и материала проводника
ЛР 245 Изучение зависимости температуры лампы накаливания от потребляемой мощности
ЛР 303 Основы спектрального анализа. Изучение спектров поглощения
ЛР 304 Исследование дифракции Фраунгофера
ЛР 306 Зависимость силы фототока от интенсивности освещения
ЛР 310 Определение концентрации сахара с помощью сахариметра
ЛР 318 Определение длины волны света при помощи бипризмы

Подробный отчет в формате Word. На почту высылаем файл word + копию в pdf.

Вариант исходных данных выбирается по Фамилии и Имени студента

Обработка результатов лабораторного физического эксперимента
Задание 1. Исследование дрейфа.
Проанализировать изменение со временем значений измеряемой величины, для чего по данным табл. 6 построить график зависимости результатов наблюдений от порядкового номера наблюдения (рис. 2). В случае отсутствия дрейфа перейти к выполнению задания 2.
Задание 2. Статистический анализ выборки.
2.1. Определить выборочное среднее по формуле: ...
2.2. Определить отклонения отдельных результатов наблюдений от среднего:...
2.3. Вычислить значения.... и сумму... занести в табл. 6.
2.4. Рассчитать среднеквадратичную погрешность S(t) отдельного результата наблюдения:...
2.5 Определить среднеквадратичную погрешность S(¯t) среднего арифметического результата измерений по формуле ...
2.6. Для заданных значений числа измерений n и доверительной вероятности Р=0,90 найти по таблице коэффициент Стьюдента t_n,p и вычислить случайную погрешность:...
2.7. Оценить приборную погрешность электронного секундомера по формуле (9). Проверить, что она меньше случайной более чем в два раза. В согласии с формулой (10) доверительную погрешность результата измерений приравнять к случайной:...
2.8. Округлив погрешность и предварительный результат, записать окончательный результат измерений в виде...
Задание 3. Оценка параметров закона распределения вероятностей с помощью гистограммы.
3.1. По результатам наблюдений составить таблицу, необходимую для построения гистограммы и кривой, описывающей закон распределения (см. табл. 5).
3.2. Построить гистограмму, кривую закона распределения и оценить по этой кривой значение величины среднеквадратичного отклонения σ.
3.3. Сравнить величину S(t) со значением σ, полученным по гистограмме и кривой закона распределения.
3.4. Записать выводы:
а) об отсутствии или наличии дрейфа;
б) о том, насколько экспериментально полученное значение длительности промежутка времени соответствует заданному;
в) о том, насколько полученная выборка соответствует гауссову закону распределения.

Контрольные вопросы
1. Какие измерения называются прямыми, косвенными, невоспроизводимыми косвенными?
2. Как рассчитывается доверительная погрешность при прямых многократных измерениях?
3. Почему при записи окончательного результата необходимо указывать доверительную вероятность?
4. Доверительная вероятность результата P=0,68. Что это означает?
5. Какие погрешности называются систематическими, случайными, приборными?
6. Какая кривая называется гистограммой, законом распределения?

Вариант выбирается по Фамилии и Имени студента

Цена: 1000 р.

Расширение предела измерения вольтметра. Определение внутреннего сопротивления эталонного вольтметра

Задание 1 Расширение предела измерения вольтметра
Требуется измерить напряжение U, величина которого превышает предел измерения вольтметра U₀, т.е. нужно расширить предел измерения вольтметра в n раз, где n = U/U₀.     (11)
Для расширения предела измерения к вольтметру последовательно подключают добавочное сопротивление Rд (рис. 5).

При напряжении U на участке АВ на добавочном сопротивлении напряжение Uд = U-U₀. С учетом (11) U_д = nU₀ - U₀ = U₀ (n-1).
На последовательных участках (вольтметр – добавочное сопротивление) сила тока одинакова, и согласно закону Ома R_д = r (n-1),       (12)
где r - внутреннее сопротивление вольтметра.

Задание 2 Определение внутреннего сопротивления эталонного вольтметра
Подключим к источнику напряжения соединенные последовательно эталонный и исследуемый вольтметры. Через оба вольтметра идет одинаковый ток, поэтому по закону Ома U/R_V = U_Э/r_Э,     (13)
где R_V - сопротивление исследуемого вольтметра,
U - напряжение на исследуемом вольтметре,
r_Э - внутреннее сопротивление эталонного вольтметра,
U_Э – напряжение на эталонном вольтметре.
Из (13) следует, что r_Э = U_Э/U ∙ R_V.     (14)
Сопротивление исследуемого вольтметра равно R_V = r + R_д,
следовательно, сопротивление эталонного вольтметра r_Э = U_Э/U ∙(r + R_д).      (15)

Дата выполнения: 22/03/2021

Исследование источника ЭДС

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений
Измерения проводятся на универсальной установке, блок-схема которой изображена на рис.3.

1. Для сборки электрической цепи замкните проводами клеммы 10-13, 12-15, 17-18 (на рисунке соответствующие провода указаны пунктирными линиями).
2. После проверки лаборантом (преподавателем) собранной цепи включите установку в сеть.
3. Определите пределы измерения вольтметра и миллиамперметра. Рассчитайте цену деления и абсолютные погрешности этих приборов. Заполните таблицу приборов.
4. Поставьте переключатель П в положение 18 (сопротивление нагрузки R2 отключено от блока питания, тока в цепи нет). С помощью потенциометра R1 установите нужное значение ЭДС (работа производится с двумя значениями ЭДС ξ1 и ξ2, сами значения рекомендуются преподавателем), запишите в таблицу.
5. Переключатель П поставьте в положение 16 (в цепи появится ток). Поверните ручку потенциометра нагрузки R2 в крайнее положение. Начиная с этого положения ручки проводите измерения напряжения U и силы тока I, каждый раз записывая их в таблицу. Измерения проводите, поворачивая ручку R2 так, чтобы дойти до другого крайнего положения. Всего должно быть измерено не менее 10 значений тока и напряжения.
Значения силы тока и напряжения должны быть распределены равномерно от их минимальных до их максимальных значений (от одного крайнего положения ручки R2 до другого). При этом ручку R1 на блоке питания трогать НЕЛЬЗЯ, т.к. вы измените значение ЭДС.
6. Выполнить задания из пунктов 4, 5 при следующем значении ЭДС ξ2. Результаты измерений запишите в другую таблицу, подобную первой.
7. Расчетная часть работы заключается в определении полной, полезной мощности, внутреннего сопротивления, КПД и нагрузочного сопротивления по формулам (3), (4), (7), (8) и (11). Результаты расчетов запишите в таблицы.
8. По вычисленным значениям мощностей и КПД на миллиметровой бумаге для каждого значения ЭДС на одном рисунке постройте три зависимости: P0(I), P(I) и η(I).
9. На графике найдите значение тока короткого замыкания и значение тока, соответствующего максимуму полезной мощности. Определите внутреннее сопротивление r по формуле (13) и сравните его значение со значением из таблицы.
10. В точках максимальной полезной мощности оцените погрешности исследуемых величин, а именно Δξ, ΔU, ΔI, ΔP0, ΔP, Δη, ΔR и Δr.
11. Сформулируйте свои выводы о согласованности теории с проделанными измерениями, характеристиках источника ЭДС, записав их в отчет.

Дата выполнения: 22/03/2021

Определение удельного сопротивления и материала проводника

Целью настоящей работы является измерение вольт–амперной характеристики, определение удельного сопротивления металлического проводника и расчет концентрации свободных электронов.

Порядок выполнения работы
1) Собрать схему и показать ее лаборанту или преподавателю.

2) Включить установку в сеть. Потенциометром R₁ установить по вольтметру V напряжение 1–2 В.
3) Реостатом R₂ добиться максимального значения силы тока (в этом случае сопротивление реостата минимально). Далее в процессе измерений реостат R₂ не трогать!
4) Вращая ручку потенциометра R1, установить напряжение U_max, при котором сила тока, измеряемого амперметром A, будет максимальной (I≈200 mA). Диапазон напряжений 0-U_max разбить на 6–10 интервалов и снять зависимость I(U). Результаты измерений записать в таблицу.
Соблюдая правила построения графиков, построить вольт–амперную характеристику исследуемого проводника.
5) Рассчитать значения сопротивления R_xi по формуле (11) и занести результаты в таблицу. Найти среднее значение сопротивления ¯R_x и его доверительную погрешность в соответствии с алгоритмом обработки результатов невоспроизводимых косвенных измерений.
6) Зная ¯R_x, длину проводника и его диаметр (значения получить у лаборанта), по формуле (12) вычислить удельное сопротивление проводника и оценить его доверительную погрешность в соответствии с правилами обработки результатов косвенных измерений. (Формулу относительной погрешности рекомендуется вывести заранее).
7) Воспользовавшись таблицей значений удельных сопротивлений металлов, определить, какому металлу может соответствовать экспериментально полученное значение удельного сопротивления.
8) Используя формулу (10), определить концентрацию свободных электронов в проводнике. Сравнить найденное значение с теоретическим.

Дата выполнения: 22/03/2021

Изучение зависимости температуры лампы накаливания от потребляемой мощности

Цель работы:
1. Определение мощности электрической энергии, потребляемой лампой накаливания (ЛН) и изучение зависимости температуры нити ЛН от потребляемой мощности;
2. Определение геометрических размеров нити накаливания лампы.

Порядок выполнения работы:
1. Собрать электрическую схему (рис.1) на базе универсальной установки. После проверки преподавателем или лаборантом включить в электрическую сеть.
2. С помощью потенциометра R₁, установить напряжение, при котором загорается ЛН (приблизительно 1 В). Реостатом R₂ добиться максимального значения тока, в этом случае сопротивление реостата минимально. В процессе дальнейших измерений R2 не менять. Записать значение напряжения U и силы тока I в таблицу.
3. С шагом приблизительно 0,3 В увеличивать напряжение до величины, при котором ток достигает максимальное значение (I_max ≤ 200 mA). Значение U и I заносить в таблицу. Построить вольтамперную характеристику - график зависимости I=f(U).
4. Вычислить сопротивление нити по закону Ома R=U/I, мощность тока P и ∜P, температуру T, используя формулы (1) и (7); записать в таблицу.
5. Построить график зависимости T=f(∜P).
6. Выбрать на графике T=f(∜P) среднюю точку линейного участка, которой соответствуют T* и P*. Эти значения использовать для вычисления длины L и диаметра D нити ЛН по формулам (9) и (10).
7. Методом косвенных измерений (для одной строки в таблице) найти абсолютные погрешности ∆P, ∆T, ∆D, ∆L.

Дата выполнения: 23/05/2022

Исследование дифракции Фраунгофера

Целью лабораторной работы является:
- визуальное наблюдение на экране картины дифракции плоской световой волны на щели;
- изучение влияния ширины щели на расположение дифракционных максимумов;
- экспериментальное определение углов дифракции, соответствующих максимумам интенсивности света на экране, и сравнение их с теоретическими углами дифракции.

Порядок выполнения работы
1. Вставить сетевую вилку блока 8 в розетку. Включить тумблеры «СЕТЬ» и «ЛАЗЕР», убедиться, что возникло лазерное свечение.

2. Проверить и, если необходимо, откорректировать ширину щели таким образом, чтобы на экране возникла чёткая и симметричная дифракционная картина.
3. Произвести визуальное наблюдение дифракционной картины. Для этого перед экраном установить лист белой бумаги и, изменяя с помощью микрометра установки ширину щели в пределах 0 до 0.2 мм, наблюдать изменение дифракционной картины. Обратить внимание на то, как изменяется положение дифракционных максимумов, их яркость и ширина. Записать результаты наблюдения. Убрать лист бумаги.
4. С помощью линейки 9 измерить расстояние L от щели до экрана, занести значение L в таблицу.
5. Установить на барабане микрометра ширину щели 0.12 мм, при этом действительная ширина щели будет равна:
b = 0.12мм – 0.08мм = 0.04 мм.
Внимание! Каждый раз, устанавливая ширину щели, нужно показания микрометра уменьшать на 0.08 мм.
6. По шкале на экране определить x_лm и x_пm – координаты максимумов первого (m=1), второго (m=2) и третьего (m=3) порядков, расположенных симметрично слева и справа от центрального максимума нулевого порядка. Результаты занести в таблицу 1.
7. Установив ширину щели 0.08 мм, провести измерения в соответствии с п.6. Повторить измерения с шириной щели 0.12 мм и 0.16 мм.
8. По формуле (10) вычислить экспериментальные значения углов дифракции φ_эксп. По формуле (9) рассчитать теоретические значения этих углов φ_теор. Результаты вычислений занести в таблицу.
9. Сравнить между собой значения экспериментальных и теоретических углов дифракции. В выводах отразить результаты этого сравнения.

Дата выполнения: 13/10/2020

Определение концентрации сахара с помощью сахариметра

Целью лабораторной работы является:
1) определение концентрации раствора сахара в воде;
2) установление зависимости угла вращения плоскости поляризации от толщины слоя;
3) установление зависимости угла вращения поляризации от длины волны проходящего света

3. Порядок выполнения работы:
Удалив кювету из сахариметра, включить его осветитель. С помощью окуляра поляриметра ОП добиться отчетливого видения границы раздела между правой и левой половинами поля зрения (это легко сделать, когда одна из половин темнее другой).
Установить окуляр микроскопа ОМ (рис.9) так, чтобы была четко видна градусная шкала и штрихи нониуса.
Проверить, совпадают ли нули нониуса и шкалы, связанной с вращением анализатора (или перемещением компенсатора), друг с другом. Если нули не совпадают, то при измерении углов плоскости поляризации необходимо брать соответствующую поправку.

3.1. Определение концентрации неизвестного раствора сахара
Для определения концентрации необходимо измерить углы поворота
плоскости поляризации у двух одинаковых по длине коротких кювет. В одной кювете находится раствор сахара с неизвестной концентрацией, в другой с известной (10%). Помещая по очереди в сахариметр кюветы с неизвестной c_X и известной c_E концентрациями, находят соответствующие данным растворам углы поворота плоскостей поляризации. По формуле (5) имеем φ_x = [α]c_Xl      (6)
φ_E = [α]c_El      (7)
где φ_x и φ_E - углы поворота плоскости поляризации раствором с неизвестной и известной концентрациями.
Из формул (6) и (7) получим:
c_X = φ_X/φ_E ∙ c_E      (8)
Для повышения точности измерения углы φ_x и φ_E следует измерять 15 раз; среднее из полученных значенией подставить в формулу (8).

3.2 Определение зависимости угла поворота плоскости поляризации от толщины слоя вещества, проходимого светом.
Для определения зависимости угла поворота плоскости поляризации от толщины слоя вещества нужно измерить угол φ_D поворота плоскости поляризации длинной кюветы с известной концентрацией (той же, что и в короткой кювете) φ_D = [α]c_El_D      (9)
и сравнить его с углом φ_E (формула 7)).
Очевидно, угол φ_D должен быть во столько раз больше, во сколько l_D больше l.
Действительно, из формул (7) и (9) ....
Это и следует проверить, сравнивая отношения φ_D/φ_E и l_D/l.

3.3 Определение зависимости угла поворота плоскости поляризации от длины волны
Для определения зависимости угла поворота от длины волны проходящего света необходимо произвести измерения угла поворота φ_c короткой кюветой с известной (эталонной) концентрацией для другой длины волны. Перед измерением этого угла заменяют светофильтр, находящийся при входе в сахариметр, повернув барабан с набором светофильтров. Для сравнения взять белый светофильтр λ_o = 550 нм и красный λ_k = 700 нм.
Результаты измерений заносят в таблицу.

Дата выполнения: 24/03/2021