Место физики среди естественных наук и роль измерений в физике
Лабораторные работы по механике
Методическое пособие по физпрактикуму
Уфа 2006
УДК 53
ББК 22.2я73
И42
Печатается по решению по решению редакционно-издательского совета
Башкирского государственного педагогического университета
Иксанова Т.Г., Салихов Р.Б., Сулейманова Р.А. Лабораторные работы по механике: методическое пособие по физпрактикуму для студентов. Издание дополненное и исправленное.– Уфа: Изд-во БГПУ, 2006. – 137 с.
Данное пособие позволяет студентам освоить начальные методы проведения физических экспериментов и способы обработки и оформления полученных результатов. Приводятся основные сведения о классификации физических измерений и погрешностей физических измерений. Даются элементы теории погрешностей и простейших физических измерений.
Методическое пособие содержит также теоретические основы, практические указания, задания и описания установок лабораторных работ по механике. Пособие может быть использовано как студентами физических специальностей педвузов и университетов, так и студентами технических вузов при изучении курса физики.
Рецензенты: Ч.Х.Сагитова, канд.ф.-м.н., доц.(БГУ)
В.М. Агишев, канд.ф.-м.н., доцент (БГПУ)
Ответственный редактор: И.А.Фахретдинов д.ф.-м.н., проф.
ã Издательство БГПУ, 2006
| |
Предисловие
Методическое пособие «Лабораторные работы по механике» является частью учебно-методического комплекса «Механика» для студентов физико-математического факультета. Курс механики является первым разделом, с которого начинается изучение физики. В связи с этим в данном пособие подробно описан порядок проведения работ в учебных лабораториях.
В представленном пособии достаточно полно и подробно описана теория погрешностей, которая является важным элементом обработки результатов физического эксперимента. В пособии приведено описание 19 лабораторных работ, которые входят в перечень изучаемых тем согласно государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по разделу «Механика» курса общей физики.
Введение
Место физики среди естественных наук и роль измерений в физике
Физика – не единственная наука, занимающаяся изучением законов природы. К естественным наукам относятся также химия, биология, геология, астрономия и еще целый ряд связанных с ними наук. С момента своего зарождения физика изучает природу, начиная с наиболее простых ее закономерностей, которые затем уже ложатся в основу более сложных.
Развитие физики, как показывает ее история, началось с изучения наиболее очевидных – механических явлений и постепенно переходило к более сложным. Одновременно создавались новые, все более совершенные методы измерения, дававшие и дающие возможность устанавливать новые закономерности. То обстоятельство, что физика начала изучение природы с простых систем с “малофакторными“ связями, дало возможность устанавливать количественные соотношения между величинами.
Рассмотрим примеры:
1. Закон свободного падения тел был установлен на сравнительно ранней стадии развития физики благодаря тому, что на падение тел влияет преимущественно два фактора - сила тяготения и сила сопротивления воздуха. Причем второй фактор был далеко не сразу очевиден и лишь его учет в дальнейшем позволил правильно сформулировать закон свободного падения.
2. Допустим, что при определенном заболевании резко возрастает концентрация магния в крови. Как установить, в зависимости от чего это происходит, какие именно факторы определяют содержание этого элемента в крови? Если это связано с нарушением функции какого - либо органа, то какого именно, в чем это нарушение заключается и можно ли его количественно измерить? Даже в такой постановке подобные задачи, как правило, неразрешимы, а если учесть, что живой организм - единое целое и нарушение функции одного органа ведет автоматически к нарушению функции других, то задача становится чрезвычайно сложной.
3. Аналогична ситуация и в геологии, где, например, умеют измерять силу землетрясения, но не могут его прогнозировать, так как не ясны все причины, вызывающие его, и условия их возникновения.
Рассматривая приведенные примеры, мы видим, что если в первом случае все основные величины, характеризующие процесс, могут быть измерены и представлены числом, то в двух последних случаях мы можем измерить лишь концентрацию Mg и силу землетрясения; что же касается причин, влияющих на них, то их нельзя не только измерять, но даже и просто перечислить.
Можно выделить три этапа в процессе познания на каждой его фазе.
1. Сбор фактического материала.
2. Анализ полученной информации, выделение основных компонентов изучаемой системы, поиски взаимосвязи между ними, исключение второстепенных факторов, формулировка гипотезы.
3. Экспериментальная проверка гипотезы, создание теории, формулировка законов.
Установленная последовательность в процессе познания присуща любой науке, но физику как точную науку отличает то, что материал, собираемый на первом этапе, и результат экспериментальной проверки на заключительном этапе представляют собой совокупность количественных, численных характеристик всех рассматриваемых величин, т. е. все этивеличины должны быть сравнены с эталоном и охарактеризованы числом.
Если мы вернемся к рассмотренным примерам, то станет ясно, что физика стала точной наукой лишь потому, что предметом ее изучения служит круг явлений и объектов, параметры которых могут быть измерены количественно.
Однако постепенное развитие физики приводило к созданию новых методов исследования, позволяющих измерять те величины, которые ранее не измерялись. Бессмысленно было говорить о законе Ома, если бы не могли измерить и представить в виде чисел силу тока, напряжение и сопротивление, а такая возможность тоже появилась не сразу.
Развитие физики и создание новых методов позволили использовать их для измерения и количественного исследования закономерностей, присущих другим естественным наукам. Так зародились биофизика, геофизика, астрофизика, физическая химия и т. п.
Все выше изложенное позволяет понять роль измерений в процессе познания.
Основные цели лабораторного практикума:
- уяснение роли измерений в процессе познания явлений природы;
- умение выбрать инструмент, необходимый для измерения в каждом отдельном случае, определить цену деления его шкалы или нониуса;
- приобретение умения определять границы точности производимых измерений и величину допускаемых ошибок, а также умения заранее устанавливать разумные пределы необходимой для каждого измерения точности;
- умение находить и исключать возможные источники систематических ошибок;
- получение знания о классе точности приборов и соответствующем этому классу пределу точности измерения;
- умение производить предварительную оценку порядка ожидаемого результата с целью дополнительного контроля за его правильностью;
- знакомство с некоторыми конкретными приборами и методами, служащими для измерения различных физических величин.