Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Лабораторний практикум

Під час проведення дослідів у фізиці виконують спеціальні вимірювання.

Перед тим, як виконувати вимірювання фізичних величин будь-яким приладом, визначають ціну поділки його шкали.

Ціна поділки шкали аналогового вимірювального приладу — різниця значень вимірюваної величини, що відповідає двом сусіднім позначкам шкали.

У фізиці розрізняють два типи вимірювань — прямі та непрямі (опосередковані)

Абсолютна похибка засобу вимірювань — різниця між показом засобу вимірювань та істинним значенням вимірювальної величини за відсутності похибок проведення вимірювання.

Якщо позначити через l істинне значення довжини бруска, l_в — результат вимірювання, то значення величини, одержане в результаті вимірювання, записують у вигляді: l = l_в ± Δl.

Відносна похибка (вимірювання) — відношення абсолютної похибки до умовно істинного значення вимірюваної величини.

Для більш точного визначення фізичної величини вимірювання виконують кілька разів (3-5) і знаходять середнє значення вимірюваної величини за формулою:

де а_с — обчислене середнє значення величини; a₁, a₂, ... a_n — значення окремих вимірювань; n — число вимірювань.

Деякі формули для обчислення похибок наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Деякі формули для обчислення похибок

Сучасні смартфони та планшети — це потужні й складні пристрої з безліччю схем, плат і датчиків (мал. 1). Саме використання датчиків може допомогти вам у проведенні навчальних досліджень. Мобільний пристрій дає змогу не просто вимірювати різні параметри навколишнього середовища, а й проводити аналіз і статистичну обробку результатів з допомогою спеціальних додатків. Фактично ми можемо перетворити смартфон у цифровий вимірювальний комплекс.

Мал. 1. Датчики сучасних смартфонів

Перевірити, які датчики містяться у смартфоні чи планшеті, можна за допомогою програми Sensor Kinetics чи Sensor BOX (мал. 2).

Мал. 2. Інтерфейси програм Sensor Box та Sensor Kinetics

Наявність цього інерційного датчика в планшеті чи смартфоні є важливою, оскільки дає можливість виміряти прискорення одночасно в декількох площинах (уздовж осей X, Υ, Ζ). Це допомагає визначати положення пристрою в просторі, встановлюючи кут його нахилу відносно поверхні Землі. Завдяки акселерометру гаджет реагує на перегортання: альбомна орієнтація перетворюється на книжкову і навпаки. Крім того, пристрій реагує на струшування або удар. Прикладом використання такого датчику у навчальній дослідницькій діяльності може бути використання програми.

Точність акселерометра виявилася невисокою, тому розробники впровадили в пристрої підтримку гіроскопа. Цей датчик виконує всі ті ж функції, що й попередник, але, на відміну акселерометра, ще вміє визначати положення нерухомого смартфона. Він також є інерційним датчиком. Гіроскоп — це пристрій, який здатний реагувати на зміну кутів повороту навколо трьох осей координат X, Υ, Ζ, при цьому відстеження переміщення відбувається відносно трьох площин одночасно. Гіроскоп дає змогу визначити орієнтацію пристрою в просторі і пов’язує ці дані з віртуальним світом. Можна використовувати цей датчик для визначення відстаней між об’єктами на місцевості.

Більшість смартфонів оснащені внутрішнім термометром для вимірювання температури модулів смартфона, він необхідний для запобігання перегріву компонентів.

Рідше смартфони обладнані барометром. Найчастіше його можна зустріти у флагманських моделях, а також у моделях для екстремальних видів спорту. Також цей датчик можна використовувати за прямим призначенням, тобто для вимірювання тиску. Для цього знадобиться встановити додаток, який можна знайти в Інтернеті.

Розрахунки, що виконуються при обробці результатів експерименту, вимагають використання калькулятора. Для цього можна скористатись інженерним (науковим) калькулятором як окремим приладом і як програмою для смартфонів. Інтерфейси програм різних виробників можуть істотно відрізнятися, але всі вони дають змогу оперувати з числами, представленими в стандартному вигляді.

За допомогою встановленого програмного забезпечення смартфон також можна перетворити на різноманітні прилади, що можна використати під час проведення дослідження. На мал. 3. зображено використання смартфона як наукового калькулятора, секундоміра, стробоскопа, барометра.

Мал. 3. Використання смартфона

Орієнтовна тематика експериментальних робіт

Лабораторні роботи дібрано таким чином, що їх можна виконати без використання складного обладнання та спеціальних експериментальних установок. Залежно від наявного обладнання фізичного кабінету можна тематику лабораторних робіт замінювати на рівноцінні, з урахуванням особливостей побудови процесу навчання.

Лабораторна робота № 1. Оцінка похибок вимірювань

Мета. Навчитися проводити оцінку абсолютної і відносної похибок прямих і непрямих вимірювань.

Обладнання: лінійка, термометр, мензурка, динамометр, амперметр, вольтметр.

Теоретичні відомості

Як округляти результати? Якщо помилка округлення більша за абсолютну похибку, округлення зменшує фактично досягнуту точність вимірювання, а якщо помилка округлення менша за абсолютну похибку, останні цифри запису результату будуть недостовірними. Тому округляти результати вимірювань і обчислень треба так, щоб остання значуща цифра перебувала в тому ж десятковому розряді, що й абсолютна похибка вимірюваної величини.

У шкільних лабораторних роботах можна зазвичай обмежуватися двома значущими цифрами.

Хід роботи

1. Виміряйте довжину та ширину зошита і запишіть результати з урахуванням похибки.

2. Обчисліть площу сторінки зошита з урахуванням округлення. Розрахуйте похибку визначення площі методом меж та використовуючи формули (див. табл. 1 на с. 239).

3. Розгляньте наявні фізичні прилади і заповніть таблицю 2.

Таблиця 2

Назва засобів вимірювання	Лінійка	Мензурка	Термометр	Динамометр	Вольтметр	Амперметр
Вимірювана фізична величина
Одиниці виміру
Межі вимірювання
Ціна поділки
Точність вимірювання

4. Зробіть висновок: що ви вимірювали і який отримано результат.