Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Сиротюк

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Лабораторний практикум

Загальні зауваження до виконання робіт лабораторного практикуму

Фізика - наука експериментальна. Це означає, що основою всіх результатів, одержаних наукою, є дослід. Будь-яка теорія, яку розробили вчені, має одержати експериментальне підтвердження.

Виконуючи роботи лабораторного практикуму, ви виконуєте досліди, аналізуєте результати, робите висновки. Провівши те чи інше вимірювання, ви маєте знати ступінь достовірності одержаного результату, оскільки всі вимірювання проводяться з певною точністю і результат їх завжди наближений.

Окремі вимірювання ви проводите безпосередньо, тобто визначаєте шукані величини за допомогою вимірювальних приладів. Такі вимірювання називають прямими.

Різницю між дійсним значенням вимірюваної величини а і результатом а_д, який ви одержали, називають абсолютною похибкою Δа, Δа = |а - а_д|.

Похибка вимірювань в основному визначається точністю вимірювального приладу (інструментальна похибка), яка зазвичай вказується на вимірювальних приладах, та похибкою відлічування.

Межа похибки відлічування становить половину ціни поділки шкали приладу. Наприклад, під час вимірювання лінійкою з міліметровими поділками ви одержите точніший результат, ніж лінійкою, ціна поділки якої 1 см. Якщо вимірювані розміри більші за довжину лінійки, вам доведеться проводити вимірювання, прикладаючи лінійку двічі або тричі. При цьому точність результату зменшується.

Значною мірою точність результатів залежить від акуратності вимірювань, які ви провели. Однак за будь-яких умов не вдається уникнути певних похибок, пов’язаних з умовами вимірювання фізичних величин. Наприклад, через затримку в часі реакції людини, яка вмикає і вимикає секундомір, у вимірювання часу можуть бути внесені суттєві похибки, які значно перевищують інструментальні. Найпростішим шляхом зменшення таких похибок є проведення кількох (за незмінних умов досліду) вимірювань тієї самої величини та обчислення її середнього арифметичного значення.

Знімаючи покази, треба дивитися перпендикулярно до шкали, користуватися приладами із чіткою шкалою, правильно визначати ціну поділки шкали тощо.

Результат безпосередніх (прямих) вимірювань величини а записують так:

а = а_д ± Δа.

Слід пам’ятати, що більше а_д відрізняється від Δа, то точніший результат. Наприклад, лінійкою із ціною поділки 1 см вимірюють довжину і ширину стола (мал. 1). В обох випадках абсолютна похибка 0,5 см, але довжина стола більша і тому похибка складає меншу частину довжини, ніж ширини.

Мал. 1. Вимірювання розмірів стола

Що менше значення шуканої величини, то з меншою ціною поділки (точнішим) має бути інструмент для її вимірювання. Про яку точність вимірювань можна говорити, якщо діаметр вашої ручки визначати лінійкою із сантиметровими поділками?

Як бачимо, абсолютної похибки недостатньо для оцінки точності результатів вимірювань, її можна оцінити на основі відносної похибки.

Під час виконання лабораторних робіт можна вважати задовільними результати, якщо відносна похибка не перевищує 4-6 %. Якщо відносна похибка більша ніж 10 %, ми не можемо говорити про достовірність вимірювання, тому що залежність, яку ми встановили, носить лише якісний характер.

Якщо фізична величина визначається через інші величини за допомогою формул, то її вимірювання є опосередкованим (непрямим). Наприклад, щоб визначити площу прямокутника, треба довжину помножити на ширину: S = ab.

Як визначити похибку вимірювань у цих випадках?

У цьому вам допоможе таблиця похибок.

Продовження таблиці

Кілька порад:

1. Якщо прямі вимірювання проведено з точністю до десятих долей, то опосередковані визначають до сотих і округлюють до десятих.

2. Під час визначення величини ви можете отримати кілька результатів, причому спостерігається певна закономірність (наприклад, одержані значення збільшуються). При цьому остерігайтеся неправильних висновків, оскільки умови досліду змінювалися. Якщо ви визначаєте жорсткість пружини і одержали результати 42 Н/м, 45 Н/м, 48 Н/м, то це ще не означає, що зі збільшенням сили, прикладеної до пружини, жорсткість її збільшується. Що більша сила (у межах пружності пружини), то точніший результат і відносна похибка має бути меншою.

Важливо проаналізувати причини похибок, зокрема, де вони були найбільшими, чому і як це вплинуло на результат вашої роботи.

Робота № 1. Визначення прискорення руху тіла під час прямолінійного рівноприскореного руху

Мета роботи: виміряти прискорення, з яким скочується кулька по похилому жолобу.

Обладнання: жолоб, штатив з муфтами і лапкою, кулька, металевий циліндр (гиря), електронний або механічний секундомір (або метроном), рулетка або вимірювальна стрічка.

Варіант 1

Підготовка до виконання роботи

Дайте відповіді на запитання:

1. Який рух називають рівноприскореним?

2. Як визначають прискорення руху тіла?

Розв’яжіть задачі.

1. По похилому жолобу кулька рухалася рівноприскорено з початковою швидкістю 0 і кінцевою швидкістю 80 см/с. З якою середньою швидкістю вона рухалася по всьому жолобу?

2. Кулька рухалася по похилому жолобу із середньою швидкістю 50 см/с. Яка її кінцева швидкість, якщо початкова: а) дорівнює нулю; б) дорівнює 10 см/с?

Опис методу вимірювання

Жодні вимірювання не проводяться абсолютно точно. Вони завжди мають деяку похибку, пов’язану з недосконалістю засобів вимірювання та іншими причинами. Але і за наявності похибок є кілька способів проведення достовірних вимірювань. Найпростіші з них - обчислення середнього арифметичного з результатів кількох незалежних вимірювань однієї і тієї самої величини, якщо умови досліду не змінюються. Це і пропонується зробити в роботі.

Хід роботи

1. Закріпіть жолоб у штативі в похилому положенні під невеликим кутом до горизонту (мал. 2). Біля нижнього кінця жолоба покладіть металевий циліндр або гирю.

Мал. 2

2. Пустивши кульку з верхнього кінця жолоба, одночасно увімкніть секундомір (одночасно з ударом метронома) і зафіксуйте час (підрахуйте число ударів метронома) до зіткнення кульки із циліндром. (Досліди зручно проводити при 120 ударах метронома за хвилину (60 с)). Результати вимірювань запишіть у таблицю.

3. За допомогою рулетки або вимірювальної стрічки визначте шлях, який пройшла кулька. Не змінюючи нахилу жолоба (умови досліду мають залишатися незмінними), повторіть дослід 5 разів. Результати вимірювань запишіть у таблицю.

4. Змінюючи кут нахилу жолоба до горизонту, повторіть попередній дослід, записавши отримані результати в таблицю.

№	l, м	l_c, м	t, с	t_c, с	а_с, м/с²	Δl, м	Δt, с	ε, %	Δa, м/с²

Творче завдання

Виконуючи цю лабораторну роботу, не змінюючи кут нахилу жолоба, дві групи отримали такі результати: перша група: l₁ = 10 см, t₁ = 1 с; l₂ = 30 см, t₂ = 3 с; друга група: l₁ = 15 см, t₁ = 0,5 с; l₂ = 60 см, t₂ = 1 с. Яка з груп отримала достовірні результати?

Варіант 2

Мета роботи: навчитися експериментально визначати прискорення рівнозмінного руху тіл; визначити прискорення, з яким скочується кулька по похилій площині; установити характер залежності між величинами, які описують рівнозмінний рух; установити співвідношення між шляхами, які проходить кулька за кожну секунду свого руху.

Підготовка до виконання роботи

Виконайте завдання:

1. Сформулюйте означення рівноприскореного руху тіла.

2. Сформулюйте означення прискорення руху тіла та запишіть формулу, за якою визначають прискорення. Сформулюйте означення середньої швидкості.

2. Запишіть закони рівноприскореного руху та назвіть величини, які входять до відповідних формул.

Розв’яжіть задачі

1. Швидкісний поїзд, рухаючись прямолінійно і рівноприскорено, через 10 с після початку руху зі стану спокою набув швидкості 0,6 м/с. Визначте: а) прискорення поїзда; б) швидкість поїзда через 5 хв та через 8 хв після початку руху; в) через який час від початку руху швидкість поїзда дорівнюватиме 3 м/с.

2. Схил завдовжки 100 м лижниця проїхала за 20 с, рухаючись прямолінійно рівноприскорено з прискоренням 0,3 м/с². Визначте швидкість лижниці на початку та в кінці схилу.

Хід роботи

1. Закріпіть жолоб за допомогою штатива в похилому положенні під невеликим кутом до горизонту. У нижній кінець жолоба покладіть металевий циліндр.

2. Виміряйте кут нахилу похилої площини α до горизонту за формулою sinα = h/L, де h - висота верхнього краю жолоба над горизонтальною поверхнею, L - довжина жолоба (мал. 3).

Мал. 3

3. Розташуйте кульку на верхньому кінці жолоба і відпустіть. За допомогою секундоміра виміряйте час t від моменту початку руху кульки до моменту її удару об циліндр, установлений у нижньому кінці жолоба.

4. За допомогою мірної стрічки (рулетки) виміряйте шлях l, пройдений кулькою за час t. Не змінюючи положення жолоба, проведіть дослід мінімум 5 разів, визначивши середні значення шляху l_с та часу t_c.

5. Обчисліть середнє значення модуля прискорення кульки за формулою а_с = 2l_c/t_c². Результати вимірювань й обчислень запишіть у таблицю, яку ви склали. Визначте абсолютну та відносну похибки вимірювання прискорення.

6. Змініть кут нахилу жолоба та повторіть дослід (п. 3-6) для 5 різних значень. Результати вимірювань та обчислень запишіть у таблицю.

№	l, м	l_c, м	t, с	t_c, с	а_с, м/с²	Δl, м	Δt, с	ε, %	Δа, м/с²

7. За даними вимірювань і обчислень побудуйте графік залежності прискорення кульки від кута нахилу похилого жолоба до горизонту.

8. Зробіть висновок, у якому опишіть досягнення, яких ви набули, виконуючи дану роботу; головні причини похибок; основні, на ваш погляд, недоліки та переваги даного дослідження; пропозиції щодо його поліпшення.

Творче завдання

За допомогою наданого обладнання встановіть співвідношення між шляхами, які проходить кулька за першу, другу, третю і т. д. секунди. Звіт про виконання завдання оформіть на окремому аркуші в такій послідовності:

1) розробіть і коротко опишіть ідею та інструкцію виконання роботи (не більше ніж 5 пунктів з одного-двох речень);

2) проведіть дослідження відповідно до вашої інструкції, складіть та заповніть таблицю даних;

3) результати дослідження можна представити у вигляді числового співвідношення, короткого висновку, можливо, графічної залежності тощо;

4) бажано теоретично підтвердити результати дослідження (довести формулу співвідношення шляхів, використовуючи закони рівнозмінного руху).

Зміст