Общие требования безопасности
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
По подготовке, выполнению и оформлению
лабораторных работ в лабораторном практикуме по дисциплине «Физика»
ЕТИ.Ф. 00
Егорьевск 2012
Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.
Рецензент к.ф.н. Шабаева Г.Г.
Данная методическая разработка содержит основные правила и методические указания по подготовке, выполнению лабораторных работ в лабораторном практикуме по дисциплине «Физика» и требования по оформлению журналов отчетов лабораторных работ по этой же дисциплине, выполняемых студентами в процессе обучения в институте.
Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, 280700 Техносферная безопасность по дисциплине "Физика" при выполнении лабораторного практикума по этой дисциплине. Данные методические указания можно также использовать для студентов 2 курса , обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, в целях подготовки, выполнения и оформления журнала отчётов по лабораторным работам в лабораторном практикуме по дисциплине «Электродинамика. Термодинамика и молекулярная физика» по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств.
Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин.
Протокол № от
Заведующий кафедрой А.П. Нилов
Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института
Протокол № от
Председатель совета А.Д.Семенов
Методические указания
По подготовке, выполнению и оформлению
Лабораторных работ в лабораторном практикуме
по дисциплине «Физика»
Введение
Данная методическая разработка содержит основные правила и методические указания по подготовке, выполнению лабораторных работ в лабораторном практикуме по дисциплине «Физика» и оформлению журналов отчетов лабораторных работ по этой же дисциплине, выполняемых студентами в процессе обучения в институте. Данные методические указания можно также использовать для подготовки, выполнения и оформления лабораторных работ в лабораторном практикуме по дисциплине «Электродинамика. Термодинамика и молекулярная физика».
1 Предмет физики и её связь с другими науками. Зачем нужна физика инженеру
Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи ( механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими движения материи. Разделы Электродинамики и молекулярной физики и термодинамики являются наиболее сложными для усвоения разделами курса общей физики в технических вузах. Прежде всего это связано с необходимостью достаточно строгого описания физических явлений с использованием простых примеров, позволяющих получить о них наглядное представление.
Физика тесно связана с естественными науками. Как сказала академик С.И. Вавилов (1891 – 1955; советский физик и общественный деятель), эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд смежных дисциплин, таких, как астрофизика, геофизика, физическая химия, биофизика и др.).
Бурный темп развития физики, растущие связи её с техникой указывают на двоякую роль курса физики в техническом вузе: с одной стороны, это фундаментальная базы для теоретической подготовкой инженера, без которой его успешная деятельность невозможна, с другой – это формирование мировоззрения.
Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь носит двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задачи создания наиболее экономических тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства.
Физика – основная интеллектообразующая дисциплина. Она организует мозги в правильном направлении. Она трудна, она многим дискомфортна, она создает проблемы (физкабинеты, демонстрации, лабораторные работы).
Физика как одно из важнейших направлений естествознания основана на опытных исследованиях. Первый шаг для установления закономерностей явления, как известно, наблюдение. Научное наблюдение представляет собой непростую задачу. Для выявления закономерностей какого-либо физического явления надо уметь выделять наиболее важные его элементы и по возможности учитывать условия, при которых протекает рассматриваемое явление, т. е. перейти от простого наблюдения к эксперименту.
Современная физика как фундаментальная наука формирует основы научной картины мира и определяет пути научно-технического прогресса. Эта наука может помочь предвидеть, объяснить и предотвратить многие опасности современного мира. Одна из задач, которую может решить курс современной физики – это разработка методов и средств управления рисками, осознанных человечеством опасностей в целях снижения их до приемлемого уровня. Современная электродинамика, оптика и атомная физика являются основой для разнообразных нанотехнологий и решения многих задач, связанных с обеспечением техносферной безопасности.
Физика – это одна из наук, цель которых – познание природы. Когда физик сталкивается с каким-либо явлением природы, он старается выделить те особенности явления, которые кажутся ему самыми важными. Так Древние греки, заметив, что движущееся тело, в конце концов, останавливается, заключили, что для поддержания движения необходима сила. Галилей же и Ньютон, наблюдая то же самое явление, пришли к выводу, что замедление движения здесь вовсе не самое главное. Оно вызывается трением, а в отсутствие трения движение не прекращается. Если бы мы решили проверить это на опыте, то увидели бы, что полностью устранить трение или другие тормозящие силы невозможно. Но их можно уменьшить, и чем меньше они, тем дольше будет двигаться тело. Таким образом, логично предположить, что в предельном случае, когда трения нет, движение будет оставаться неизменным, о чем и говорит первый закон Ньютона.
Таков общий метод физики. Мы выделяем в данном физическом явлении то, что считаем самым существенным. Затем, обобщая то, что выделили, строим теорию, из которой следуют те или иные выводы.
Выводы же проверяем путем эксперимента. Но теоретические выводы обычно относятся к идеализированной или упрощенной ситуации. Чтобы их проверить, нужно создать такую упрощенную ситуацию в сложном окружающем мире, что не всегда возможно сделать. На лекциях вам преподносят теорию. При этом рассматриваются те стороны реального мира, которые существующая теория считает самыми важными.
2 Цели лабораторного практикума по дисциплине «Физика»
Важнейшими методами естественнонаучного исследования являются наблюдение и эксперимент.
Наблюдение — преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач. Наблюдение требует специальной подготовки — предварительного ознакомления с материалами, относящимися к объекту будущего наблюдения: с рисунками, фотографиями, описанием предметов и т.п. Важное место в подготовке наблюдения должно занимать уяснение задач наблюдения, требований, которым оно должно удовлетворять, предварительная разработка плана и способов наблюдения.
Эксперимент — метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, — это основной метод эксперимента. Изменение условий позволяет вскрыть причинную зависимость между заданными условиями и характеристиками исследуемого объекта и одновременно обнаружить те новые свойства объекта, которые не проявляются непосредственно в обычных условиях, проследить характер изменения наблюдаемых свойств в связи с изменением условий. С изменением условий изменяются определенные свойства объекта, а другие при этом не претерпевают существенных изменений, от них мы можем отвлечься. Эксперимент, таким образом, не сводится к простому наблюдению — он активно вмешивается в реальность, изменяет условия протекания процесса.
Естественнонаучное экспериментальное исследование немыслимо без создания разнообразных технических средств, включающих многочисленные приборы, инструменты и экспериментальные установки. Без экспериментальной техники невозможно было бы развитие естествознания. Прогресс естественнонаучного познания существенно зависит от развития используемых наукой технических средств.
Благодаря микроскопу, телескопу, рентгеновским аппаратам, радио, телевизору, сейсмографу и т.п. человек значительно расширил свои возможности восприятия.
Первые закономерности в природе были установлены, как известно, в движении небесных тел и были основаны на наблюдениях, осуществляемых невооруженным глазом. Галилей в своих классических опытах с движением тела по наклонной плоскости измерял время по количеству воды, вытекающей через тонкую трубку из большого резервуара, тогда еще не было часов в нашем представлении. Однако давно прошло время, когда естественнонаучные исследования могли осуществляться при помощи подручных средств. Галилей прославился в науке не только своими пионерными исследованиями механических явлений, но и изобретением подзорной трубы.
Сегодняшние технические средства дают возможность осуществить эксперимент на молекулярном, атомном и ядерном уровнях. Техника современного эксперимента состоит не только из высокочувствительных приборов, но и из специальных сложных экспериментальных установок. Например, для проникновения в глубь атомного ядра строятся громадные экспериментальные сооружения — синхрофазотроны.
Наукой сегодня активно используются для проведения экспериментов космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специальные заповедники… За последние десятилетия создана мощная вычислительная техника, которая не только составляет неотъемлемую часть современного экспериментального оборудования, но и включена теснейшим образом в сам процесс мышления.
Занимаясь экспериментами по физике, вы, прежде всего, узнаете, как трудно бывает проверить теорию, измерить именно то, что хотите, а не что-то иное. Но кроме всего прочего у вас появится взгляд на физику в целом, на взаимоотношение между теорией и экспериментом.
Лабораторные работы являются одним из видов занятий для освоения дисциплины "Физика". Лабораторные работы представляют собой самостоятельное изучение физического явления, расчет его характеристик. Лабораторные занятия интегрируют теоретико-методологические знания и практические умения, и навыки студентов в едином процессе деятельности учебно-исследовательского характера. Эксперимент в его современной форме играет все большую роль в подготовке инженеров, которые должны иметь навыки исследовательской работы с первых шагов своей профессиональной деятельности. Основными задачами лабораторных занятий являются: освоение техники электротехнического эксперимента, обучение грамотному оформлению результатов измерений, практическая проверка положений, изложенных в теоретической части курса, приобретение навыков работы с персональным компьютером при исследовании и обработке результатов экспериментов.
Главной целью является предоставление студентам возможности изучить на опыте важнейшие физические явления, а также научить их обращаться с разнообразными приборами – осциллографами, звуковыми генераторами, универсальными мостами, электронными приборами, лазерами, интерферометрами, спектрографами, приборами для регистрации радиоактивных излучений и др.
Целями лабораторного практикума по физике является:
а) приобретение студентами практических умений и навыков работы с лабораторным оборудованием, измерительными приборами и техническими устройствами;
б) привитие навыков самостоятельной работы (в том числе исследовательской);
в) самостоятельное изучение или повторение теоретических вопросов или сведений потому или иному физическому явлению, закономерности, изучаемому в ходе выполнения лабораторной работы;
г) в ходе изучения лабораторного практикума студент должен научиться самостоятельно воспроизводить и анализировать основные физические явления, делать качественные выводы.
Основная цель практических занятий, проводимых в виде лабораторных работ, состоит в том, чтобы студенты что-нибудь поделали своими руками. Вторая цель лабораторных работ — научить студентов работать с погрешностями. Третья цель — научить строить графики по результатам измерений.
Вы как студент должны что-то поделать своими руками. Имеется в виду не Ваш сосед по лабораторному столу, а именно Вы. По этой причине каждый студент должен делать каждую лабораторную работу самостоятельно, а не одну работу на двоих, троих и т.п.
Исключения возможны только в тех случаях, когда лабораторных работ не хватает на всех студентов. Если для выполнения каких-то операций Вам не хватает рук или глаз, то можете попросить соседа помочь Вам независимо от того, какую лабораторную работу выполняет сосед.
Лабораторная работа предполагает самостоятельное получение экспериментальных результатов и оценку их близости к истине, постижение которой возможно только через эксперимент. Лабораторные работы содержат измерения — неотъемлемую часть любого эксперимента.
Физическая направленность представленных лабораторных работ обусловлена возможностью с помощью простых измерительных средств получить количественные экспериментальные результаты, что гораздо сложнее реализовать, например, в химических и биологических опытах. Кроме того, многие крупные достижения естествознания, относящиеся к химии, биологии и т.п., получены с применением современных физических экспериментальных методов: спектрального анализа, ядерного магнитного резонанса, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.д. Практическая реализация таких методов в виде лабораторных работ — сложная задача, и ее решение возможно только с применением моделирования и компьютерной техники.
Важное направление — моделирование физических процессов при обучении в дидактических компьютерных средах.
Компьютерное моделирование при изучении физики в основном используется в двух формах: как визуализация процессов и как их математическое моделирование — вычислительный эксперимент. Существенно реже используют компьютер в «живом эксперименте» — как измерительную систему и средство обработки информации. Учебный физический эксперимент развивается в направлениях: 1) модернизации традиционного метрологического оборудования для выполнения лабораторного эксперимента; 2) моделирования процессов с помощью компьютера; 3) выполнения «живого эксперимента» с использованием интерфейсных блоков, сопрягаемых с ЭВМ, и датчиков физических величин. Методика использования компьютеров в других учебных ситуациях только начинает складываться.
В настоящее время технический прогресс и программное обеспечение для персональных компьютеров достигли такого уровня, когда каждый грамотный специалист должен уметь самостоятельно строить модели различные процессов и явлений. В работах с использованием компьютера процесс вычислений автоматизирован не полностью, поэтому при выполнении работ студенту придется неоднократно проводить некоторые вычисления для достижения оптимума. Для их выполнения достаточно владеть общими навыками работы на персональном компьютере. Работа считается выполненной, если полученный оптимальный результат удовлетворяет требованиям задания.
Каждое лабораторная работа с использованием компьютеров выполняются студентами индивидуально и рассчитана на два часа.
Таким образом, лабораторные работы по физике позволяют:
а) проиллюстрировать теоретические положения физики;
б) познакомиться с приборами;
в) приобрести опыт в проведении экспериментов.
Какие навыки Вы должны приобрести в результате выполнения практикума?
а) выработать навыки исследовательской работы, формирование умений пользоваться измерительными приборами;
б) читать и строить графики, чертить схемы и собирать электрические цепи по схемам;
в) измерять величины и обрабатывать результаты оценивать погрешности;
г) добиться глубокого осознания студентами теоретических основ курса, приобрести умение обсуждать полученные результаты с привлечением соответствующей физической теории;
д) приобрести умение самостоятельно работать с учебником и научной литературой, а также излагать свои суждения, как в устной, так и письменной форме.
При выполнении лабораторных работ целесообразно руководствоваться следующими рекомендациями.
Максимальную пользу от выполнения лабораторных работ можно извлечь, только относясь к ним как к небольшим самостоятельным экспериментальным работам. Описание лабораторных работ — всего лишь ориентир для самостоятельной работы. Объем навыков и сведений определяется главным образом не ознакомлением с подробным описанием работы, а сознательным отношением к ее выполнению.
Необходимое условие для начала выполнения лабораторной работы — четкое представление физической сущности изучаемого объекта.
Общие требования безопасности
3.1 Лабораторные работы требуют подготовки к работе, строгой дисциплины, тщательного соблюдения правил техники безопасности и правил работы в учебной физической лаборатории. Студенты должны соблюдать правила поведения, расписание учебных занятий, установленные режимы труда и отдыха. Быть внимательными, дисциплинированными, осторожными.