Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 185
Скачиваний: 0
32 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ. СОВЕТЫ И УКАЗАНИЯ
при выполнении работы, определяется главным образом не опи санием, а подходом студента к выполнению работы. Самое цен ное, что может дать практикум, — умение применять теоретические знания в экспериментальной работе, умение думать по поводу своих опытов, умение правильно построить эксперимент и избе жать ошибок, умение видеть важные и интересные особенности и мелочи, из которых нередко вырастают потом серьезные научные исследования, — все эти навыки студент должен развить в себе сам в процессе упорного, вдумчивого, сознательного, сосредоточен ного труда.
2. Бесполезно приступать к выполнению работы без четкого представления об основных чертах теории изучаемого явления. Не имея ясности в основных теоретических вопросах, студент не сможет надежно отделить изучаемое явление от случайных и несу щественных помех, часто не сумеет даже обнаружить, что установка неисправна и непригодна к работе.
Перед началом работы с помощью нескольких простых опытов, результат которых может быть надежно заранее предсказан, сту дент должен убедиться в исправности аппаратуры. В первых
задачах практикума |
эти • опыты чаще |
всего |
будут |
указаны |
|
в описаниях. В последующем |
студент должен |
будет |
их приду |
||
мывать сам. |
работы |
необходимо |
подробно разобраться |
||
3. При выполнении |
|||||
в устройстве применяемой аппаратуры. Нужно ясно понимать, почему из многих возможных схем опыта была выбрана именно та, которая предложена в описании. Нужно до мелочей понимать уст ройство применяемых приборов, назначение каждой детали, каж дого выреза, каждого «винтика». В тех случаях, когда студент не может сам дойти до такого понимания, следует обращаться к по мощи преподавателя, но так или иначе нужно добиться того, чтобы устройство приборов было вполне и до конца уяснено.
Главное условие успешного выполнения измерений заключается во внимательном и неторопливом ознакомлении с установкой перед измерениями, в ее тщательной проверке и наладке. Никогда не следует жалеть времени на эту предварительную стадию экспери мента из опасения не успеть сделать измерения. Эти затраты времени всегда окупаются при дальнейшей работе над задачей.
Работу с незнакомыми приборами можно начинать, лишь прочтя до конца инструкции и выяснив все необходимые предосторожности. Не следует вскрывать чувствительных приборов, прикасаться пальцами к оптическим поверхностям и тонким деталям, перено сить с ме'ста на место гальванометры и весы в неарретированном состоянии. Нужно вырабатывать в себе умение бережно обращаться
с.оборудованием. >
Сдругой стороны, ознакомление с прибором должно быть актив ным, нужно не только осмотреть и «понять» прибор, но наладить
§ 11. НЕКОТОРЫЕ СОВЕТЫ И УКАЗАНИЯ |
33 |
и проверить его, смазать, если нужно, трущиеся части, установить нулевые показания стрелок, удалить грязь с оптических поверх ностей и т. д. Нельзя рассчитывать в этом деле на других. Только та установка действительно налажена, которая налажена самим экспериментатором непосредственно перед работой.
Если задача не ладится, нужно обязательно искать и пробовать, выдвигать и проверять различные предположения до тех пор, пока неисправность не будет обнаружена. Тот опыт и знания, которые помогают найти и устранить неполадки, составляют золотой фонд экспериментатора; их нельзя приобрести никаким другим способом.
4. При сборке электрических схем следует вначале подсоединить все провода, кроме проводов, идущих от источника питания. Под ключать источники питания (или включать приборы в сеть) можно только после того, как вся схема тщательно проверена. На первом курсе эту проверку должен производить преподаватель. Право на самостоятельное включение схем студенты получают лишь после того, как они приобретут некоторый лабораторный опыт. Это право дается преподавателем индивидуально каждому студенту. Следует помнить, что нарушение правил включения электрических «схем неминуемо приводит к авариям и порче приборов.
5. Измерения должны, вообще говоря, производиться с макси мальной точностью. Только точные, достоверные результаты по зволяют наблюдать явление во всей его полноте, придают наиболь ший интерес обработке и обсуждению результатов.
В точности измерений большую роль играет внимание и сосре доточенность экспериментатора, умение выбрать разумный план работы и спокойно, удобно организовать измерение. Нужно пра вильно расположить оборудование, обеспечить достаточно яркое
иравномерное освещение, выбрать удобную позу, периодически делать перерывы в измерениях, своевременно обдумывать пред варительные результаты опыта и т. д. Поспешно сделанные измере ния обычно никуда не годятся.
Стремясь получить наиболее точную картину явления, следует разумно согласовывать точность измерения различных величин друг с другом. Измеряя, например, термическое удлинение стерж ней, следует своевременно сообразить, что даже при больших из менениях температуры изменение длины является ничтожным. При измерениях важно поэтому измерять удлинение с максимальной достижимой точностью, но нет смысла измерять температуру ни до сотых, ни даже до десятых долей градуса.
Вописаниях часто указывается, что данное измерение следует производить столько-то раз. Эти указания являются лишь грубо ориентировочными. Число измерений должен установить сам экспе риментатор, основываясь на результатах своих измерений. Хорошо налаженные приборы требуют обычно меньшего числа измерений
идают более достоверные результаты, чем приборы, ^налаженные
2 п/р Л. Л. Гольдина
34 ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИИ. СОВЕТЫ И УКАЗАНИЯ
недостаточно тщательно. Вообще, если в наблюдениях получается большой разброс, лучше попробовать наладить установку, чем про изводить длинный ряд измерений.
Если в задаче исследуется зависимость одной величины от дру гой, число отдельных точек на различных участках кривой выби рается с таким расчетом, чтобы подробно исследовать места изгибов, максимумов, крутых скачков. В тех участках, где кривая идет плавно, ставить особенно много точек не имеет большого смысла.
Область измерения переменных следует всегда брать как можно шире, так как на границах широкого интервала часто нагляднее обнаруживаются недостатки аппаратуры и новые явления, влияние которых начинает обычно сказываться существенно раньше, но не может быть там с достоверностью обнаружено. Перед началом работы полезно произвести несколько предварительных измерений по всему диапазону изменения переменных, чтобы сразу познако миться с основными чертами явления и правильно спланировать ход эксперимента.
Вконце работы обязательно надо возвращаться к началу кри вой и повторять первые измерения. Это позволяет проверить ста бильность работы установки. Еще лучше проделать все измерения
вобратном порядке. При этом могут обнаружиться и новые интерес ные подробности в самом явлении (гистерезис).
6.Следует всемерно стремиться к аккуратности и полноте чер новых (первичных) записей, делаемых в лаборатории. Какими бы разбросанными и неряшливыми эти данные ни выглядели (умение вести аккуратный журнал первичных наблюдений приходит не сразу), для них необходимо завести специальную тетрадь, которая должна предъявляться преподавателю во время сдачи работы. Домашняя обработка наблюдений может производиться в той же или в другой тетради.
Вначале записи необходимо указывать название работы, дату выполнения, нарисовать схему установки. Нужно делать пометки
оточности и чувствительности применявшихся приборов, о всех замеченных неполадках. Записи измерений лучше всего вести в виде таблиц с указанием единиц измерения величин.
Из записи должно быть совершенно ясно, в какой последова тельности производились измерения.
Первые прикидки результатов должны обязательно делаться
всамом начале работы тут же, в лабораторном журнале. Такие прикидки позволяют своевременно заметить неполадки, разобраться
вспецифике работы и правильно спланировать последовательность
иход основных измерений.
7.Обработка результатов должна быть закончена до начала следующей работы. Существенную помощь при обработке оказы вают графики. Графики следует чертить на миллиметровой бумаге (тетрадная бумага в клеточку для этой цели мало пригодна) с мак-
§ 11. НЕКОТОРЫЕ СОВЕТЫ И УКАЗАНИЯ |
35 |
симальной аккуратностью. Нужно внимательно продумывать, какие величины лучше всего отложить по осям координат, и выбрать удобный, разумный масштаб.
Кривые на графике проводятся таким образом, чтобы были ясно видны отдельные точки, полученные в эксперименте. Жела тельно проводить кривые карандашом, чтобы оставить возможность для введения поправок в процессе обсуждения с преподавателем. Результаты, полученные в разных сериях измерений, например при прямом и обратном ходе, обозначаются различными значками: точ ками, кружочками, крестиками и т. д.
При обработке результатов следует тщательно обдумывать воз можные источники ошибок. Промежуточные вычисления должны делаться с точностью, несколько превосходящей точность измере ний, чтобы избежать внесения неоправданных ошибок, связанных- с вычислениями. При вычислениях обычно сохраняют на один знак больше, чем будет оставлено в окончательном ответе.
8. Сравнивая результаты с данными таблиц или с результатами товарищей, не следует при несовпадении сразу считать свои данные ошибочными. Нужно тщательно продумать методику измерений, стараясь вскрыть причины расхождения, обращаясь к книгам, прибегать к помощи преподавателя. При сдаче работы с «плохими» результатами студент, после обсуждения с преподавателем, часто получает значительно больше пользы, чем при наличии «хороших» результатов.
9. В настоящем Введении обсуждается ряд важных и часто трудных для понимания вопросов, которые не могут быть до конца осмыслены при первом чтении. К изучению этого раздела следует возвращаться несколько раз, так как каждая сделанная работа позволит студенту обнаружить во Введении мысли, к восприятию которых он ранее не был достаточно подготовлен.
2*
Р А З Д Е Л П Е Р В Ы Й
ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ПРОСТЕЙШИМИ МЕТОДАМИ
ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
I
Р а б о т а 1. ИЗУЧЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ОШИБОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАБОРАТОРИИ
Принадлежности: пересчетный прибор ПС-20 (с высоковольтным выпрями телем), выносной блок с предусилителем и счетчиком Гейгера — Мюллера (СТС-6), секундомер.
В любой физической лаборатории всегда присутствует радио активное излучение. Источником излучения являются космиче ские лучи и распад радиоактивных веществ, которые в небольших количествах имеются всюду, в том числе в физических приборах и в помещениях. Это излучение является р а д и о а к т и в н ы м ф о н о м , с которым складывается излучение других источников, если они присутствуют. Основную часть фона обычно составляет космическое излучение.
В данной работе для регистрации космического излучения ис пользуется счетчик Гейгера — Мюллера, который представляет собой наполненный газом металлический цилиндр с двумя элект родами. Одним из электродов (катодом) служит сам корпус. Другим (анодом) является тонкая нить, натянутая вдоль оси цилиндриче ского корпуса.
Необходимое напряжение (400 В) подается на счетчик автомати чески при включении пересчетного прибора.
Космические частицы ионизируют газ, которым наполнен счет чик, а также выбивают электроны из его стенок. Двигаясь в силь ном электрическом поле между электродами счетчика, образовав шиеся электроны соударяются с молекулами газа, выбивая из них новые — вторичные электроны. Ускоряясь полем, первичный и вторичный электроны снова ионизируют газ и т. д. В результате образуется целая лавина электронов, и через счетчик протекает кратковременный импульс тока (разряд). Этот импульс и регист рируется установкой. На рис. 5 приведена схема включения счет чика.
Напряжение на счетчик подается от прибора ПС-20 через со противление R, исполняющее сразу две функции. Во-первых, это сопротивление ограничивает величину тока, который может проте
Р 1. ИЗУЧЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ОШИБОК |
37 |
кать через счетчик, и предохраняет его от пробоя и порчи. Во-вторых, ток счетчика, проходя через сопротивление R, вызывает на нем падение напряжения IR . Если до начала разряда напряжение на нити было равно напряжению питания (400 В), то после появления тока оно оказывается на IR меньше. После прекращения разряда напряжение на счетчике восстанавливается. Кратковременное по нижение напряжения на нити счетчика (импульс напряжения) проходит через конденсатор С и поступает на предусилитель, а за тем на пересчетный прибор ПС-20, считающий число импульсов счетчика.
Число зарегистрированных частиц зависит от времени измере ния, размеров счетчика, от давления и состава газа и от материала, из которого сделаны стенки счетчика.
Счетчик
|
с |
Пред |
ПС-го |
|
ч ь |
||
ѳ - |
усилитель |
т в |
|
\R |
|
iff |
|
|
|
||
|
|
Выносноййлок |
|
|
I_____________ ________________________________I |
|
|
Рис. 5. Блок-схема установки для измерения интен |
|||
|
сивности космических лучей. |
|
|
При любом физическом измерении результат, получаемый на опыте, несколько отличается от действительного значения измеряе мой величины. Погрешности измерений складываются из ошибок, связанных с несовершенством методики измерений и неточностью калибровки приборов (эти ошибки принято называть систематиче скими), и из случайных ошибок эксперимента, изменяющих свою величину и знак от опыта к опыту. Частным случаем случайных
ошибок являются так называемые с т а т и с т и ч е с к и е |
о ш и б - |
к и. Эти ошибки вызываются флюктуациями самой |
измеряемой |
величины; К числу флюктуирующих величин относится и интенсив ность х) космического излучения. Пусть при некотором измерении за десять секунд зарегистрировано п космических частиц. Из этого отнюдь не следует, что в любые следующие десять секунд будет регистрироваться именно п частиц. В силу случайных причин при этом можно получить п — 1, п + 2 или любое другое, вообще го воря, не слишком сильно отличающееся от п число.
В этом случае, как и всегда при измерении флюктуирующих величин, физический смысл имеет не столько результат отдельного*)
*) -Под интенсивностью излучения понимается число частиц, проходящих через единичную площадку в единицу времени.