Лабораторный практикум по физике

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

(МГУПБ)

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЕТЕРИНАРНО-САНИТАРНОГО ФАКУЛЬТЕТА

Учебное пособие

МОСКВА 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

(МГУПБ)

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЕТЕРИНАРНО-САНИТАРНОГО ФАКУЛЬТЕТА

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию

в области технология сырья и продуктов животного происхождения в качестве учебного пособия для студентов направлений:

МОСКВА 2007

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЕТЕРИНАРНО-САНИТАРНОГО ФАКУЛЬТЕТА предназначенное для студентов специальностей 110501 <<Ветеринарно-санитарная экспертиза>>, 111201 <<Ветеринария>> и направления подготовки, 110500 <<Ветеринарно-санитарная экспертиза>>.

Все естественные науки, в том числе и ветеринарные, и, разумеется, физика имеют дело с экспериментами, в которых определяются некоторые величины. Существует ряд правил обработки результатов измерений, которые касаются оценки погрешностей, правил округления при расчетах, правил построения графиков по экспериментальным данным.

Курс физики совместно с курсами биологии, химии и высшей математики составляет основу теоретической подготовки ветеринарно-санитарных врачей.

Ветеринарный врач должен быть хорошо знаком как с биофизическими процессами, протекающими в организме животного, так и с возможностями современной диагностической и исследовательской аппаратуры, что невозможно без выполнения специализированного (соответствующего) физического практикума.

Целью лабораторного практикума является получение студентами практических умений (навыков) в рассматриваемых областях биофизики, необходимых при изучении ряда смежных ветеринарных и ветеринарно-санитарных дисциплин, а также в будущей практической деятельности ветеринарно-санитарного врача. При выполнении практикума также решается задача закрепления студентами полученных теоретических знаний.

Предлагаемое пособие разработано на базе классического практикума по общей физике для студентов технических (технологических) вузов. Дело в том, что программа курса <<физика с основами биофизики>> существенно отличается от традиционного курса общей физики. Это и было учтено авторами в рассматриваемом пособии. Основной задачей являлось показать возможность применения методов общей физики для исследований в различных областях ветеринарии. Во введении к лабораторным работам и в контрольных вопросах акцент делался на применение рассматриваемых физических методов к смежным разделам биофизики в ветеринарии.

Это гемодинамика и методы определения вязкости крови, биоакустика и акустические методы лечения и диагностики животных, открытие системы в термодинамике, тепловой баланс живых организмов, воздействие электрических и магнитных полей на живой организм, методы волновой и квантовой оптики в ветеринарии.

В результате выполнения практикума студенты должны уметь:

- использовать законы физики при анализе процессов жизнедеятельности организмов;

- определять природу физических процессов, применяемых для диагностики заболеваний животных, обработки мяса и мясных продуктов и др.;

- измерять (дозировать) интенсивность этих процессов;

- применять знание физических законов для решения задач, связанных с физическими процессами, протекающими в биологических системах, с биологическими и ветеринарными исследованиями, ветеринарно-санитарной практикой;

- пользоваться современной научной и производственной аппаратурой, обеспечивая при этом необходимую технику безопасности;

- проводить экспериментальные научные исследования в различных областях биофизики;

- обрабатывать результаты измерений.

Коллектив авторов выражает благодарность за ценные замечания Уше Борису Вениаминовичу.

Подготовка к выполнению лабораторной работы

Подготовка к выполнению лабораторной работы включает в себя прежде всего тщательную проработку каждым студентом методических указаний к данной лабораторной работе, изучение соответствующих теоретических разделов по учебнику физики и конспекту лекций и индивидуальное оформление подготовки на бланке отчета, состоящего из двойного тетрадного листа в клеточку или из нескольких стандартных листов А4, включающего следующее:

1^ая страница – титульный лист, содержащий:

1) название и номер лабораторной работы (очередной по графику);

2) фамилию и инициалы студента, факультет и номер учебной группы;

3) перечень приборов и принадлежностей, используемых в данной работе;

4) рисунок или схему экспериментальной установки, выполненные карандашом по линейке с краткими пояснениями.

2^ая страница – краткое физическое содержание работы (берется из введения к работе или учебника):

1) цель работы, основные определения и законы, встречающиеся в работе;

2) суть данного конкретного метода измерения искомой величины;

3) формулы для расчета искомых величин;

4) формулы расчета погрешностей в данной работе.

3^ая страница включает:

1) таблицу результатов измерений;

2) постоянные величины, характерные для данной установки (записываются во время выполнения работы);

Примечание: все величины (в таблицах, расчетах, окончательных результатах, а также на графиках) должны быть в системе СИ.

4^ая страница

содержит типичный расчет искомых величин с подставленными в расчетную формулу цифрами и числовым результатом с размерностью. Расчет выполняется, чтобы убедиться в том, что измерения и расчеты приводят к правильным значениям искомых величин.

Если в работе содержится много требуемых расчетов, то добавляются дополнительные листы.

График экспериментальных зависимостей (если он требуется в данной работе) выполняется на отдельном листе бумаги во весь формат листа, желательно на миллиметровой бумаге. Правила построения графиков приведены в разделе Ш.

Оценка погрешностей измерения

Абсолютно точное измерение невозможно в принципе. Из-за действия множества искажающих факторов результат каждого отдельного измерения физической величины не совпадает с ее истинным значением. Разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины называется абсолютной погрешностью измерений(ошибкой измерений).

Истинное значение измеряемой величины Z лежит в интервале от Z – ΔZ до Z+ ΔZ . Поэтому необходимо уметь оценивать погрешность измерения ΔZ, для чего разработаны разные методики.

Относительнойпогрешностью ε_z измерения называют отношение:

ε_z= ΔZ/ Z. (В.1)

Прямыми называют такие измерения, в результате которых непосредственно определяется искомая величина, например, длина при помощи линейки или штангенциркуля, время с помощью секундомера, ток по амперметру и т.д.

Косвенными называют такие измерения, в которых искомую величину рассчитывают по формуле через величины, полученные в результате прямых измерений.

При прямом однократном измерении погрешность равна точности измерительного прибора. Многократные измерения позволяют повысить точность.

Чтобы найти абсолютную погрешность прямых многократных измерений, применяя самый простой способ, надо выполнить следующие действия:

· рассчитать среднее арифметическое измеренных величин : (В.2)

· найти абсолютные погрешности:

; (В.3)

· найти среднее арифметическое их модулей:

; (В.4)

· выяснить, содержится ли среди них грубая погрешность:

. (В.5)

При обнаружении таковой и , и исключают из дальнейших расчетов или повторяют замер и заменяют их новыми значениями, не дающими грубой погрешности.

При косвенных измерениях величины Z надо найти ΔZ – полную абсолютную погрешность результата косвенных измерений.

Пусть косвенно определяемая величина рассчитана по формуле, выражаемой функцией:

, (В.6)

причем результаты прямых многократных измерений величин уже известны, грубые погрешности исключены и рассчитаны величины , ; , ; , ;…, где , , – полные абсолютные погрешности прямых многократных измерений величин , , ,… В качестве наилучшего приближения к истинному значению принимают среднее значение

. (В.7)

Случайные погрешности косвенно определяемой величины рассчитывают методом частных дифференциалов или методом дифференциала логарифма.

По методу частных дифференциалов полная абсолютная погрешность результата косвенных измерений рассчитывается по формуле:

, (В.8)

где - абсолютная погрешность косвенно определяемой величины, обусловленная погрешностью – величины «а», измеренной прямым способом, и т.п.

; ; . (В.9)

Здесь dz/da и т.п. – частные производные функции нескольких переменных (в нашем случае ) по одной из них. Они находятся по правилам дифференцирования функций одной переменной, причем остальные переменные, кроме той, по которой берут частную производную, рассматриваются как постоянные. В случае а) роль переменной играет «а», а роль постоянных – «в», «с» и т.д.

а) при , , …;

б) при , , …;

в) при , и т.д. (В.10)

По методу дифференциала логарифма полная абсолютная погрешность результата косвенных измерений рассчитывается по формуле:

(В.11)

через полную относительную погрешность ε_z :

; (В.12)

её, в свою очередь, находят через относительные погрешности ε_а, ε_b, ε_c. Они связаны с погрешностями прямо измеряемых величин а, b, c и определяются через частные производные по формулам:

и т.п. (В.13)

Найденную величину погрешности ΔZ округляют, причем, после округления приводят только первую значащую цифру, если она больше трех и приводят первые две цифры, если первая из них меньше трех или равна трем.

Окончательный результат надо представить в виде:

. (В.14)

Округление при расчетах и выбор точности постоянных величин

Точность расчетов должна быть на один разряд выше, чем точность результатов наблюдений (большая точность вычислений не имеет смысла, так как она в принципе не может уменьшить экспериментальные погрешности). Поскольку при измерениях в лабораторных работах относительная погрешность обычно составляет единицы процентов, то при вычислениях обычно достаточно оперировать с тремя значащими цифрами (разряды не учитываются, например: 0, 000456 или 456000 и т.п.).

Построение графиков по экспериментальным данным

По оси ординат откладывают искомую функцию, а по оси абсцисс – аргумент, ту величину (обычно прямо измеряемую), от которой зависит эта искомая. Надо подобрать масштабы по осям абсцисс и ординат таким образом, чтобы:

а) занять почти все поле построения графика;

б) в него попали и наибольшее, и наименьшее значения величин, по которым строят график (отсчет не обязательно начинать с нуля).

Проставить на осях числа, обозначающие деления выбранного масштаба, а у стрелок осей записать символы откладываемых величин и единицы их измерения, например, (мкм) или , нм.

Затем нанести на масштабное поле графика экспериментальные точки и вокруг них нарисовать кружочки (○) или треугольники (▲), или обозначить их крестиками, причем таким образом, чтобы их размеры приблизительно соответствовали погрешностям.

По нанесенным точкам провести плавную (но не зигзагообразную!) кривую так, чтобы количество экспериментальных точек по обе стороны от проводимой кривой было, приблизительно одинаковым.

Более детально методика расчета погрешностей изложена в приложении 1 к данному пособию.

Допуск к лабораторной работе

Перед выполнением работы студент должен получить допуск у преподавателя.

Преподаватель допускает студента к выполнению очередной лабораторной работы лишь при выполнении следующих требований:

1) незащищенных работ должно быть не более двух;

2) наличие правильно оформленной подготовки к очередной лабораторной работе (см. п.1 настоящего раздела);

3) твердые знания содержания, целей и порядка выполнения предстоящей лабораторной работы;

4) наличие у студента допуска по технике безопасности (см. следующий пункт).

Выполнение лабораторных работ

Для выполнения лабораторной работы необходимо:

1) визуально ознакомиться с установкой и взять у лаборанта или преподавателя недостающие приборы и принадлежности;

2) под контролем лаборанта или преподавателя включить установку;

3) выполнить измерения по всем упражнениям, которые рекомендованы преподавателем, результаты чернилами занести в таблицу;

4) записать постоянные величины, характерные для данной установки;

5) сделать контрольные расчеты, результаты контрольных расчетов обязательно показать преподавателю для проверки;

6) окончательные расчеты и график экспериментальных зависимостей (если он требуется) выполняются, как правило, внеурочно;

7) Получить у преподавателя контрольные вопросы для подготовки к защите данной лабораторной работы.

8) Отметить у преподавателя факт выполнения данным студентом проведенной лабораторной работы.

Без фиксирования выполненных результатов работы преподавателем в журнале лабораторная работа не засчитывается как выполненная!

Подготовка к защите и защита лабораторной работы

Защита лабораторной работы проводится во время следующего лабораторного занятия письменно по контрольным вопросам в конце данной работы или по вопросам программируемого контроля для этой работы.

Для защиты лабораторной работы каждый студент должен:

1) иметь полностью рассчитанную лабораторную работу, в которой окончательный результат представлен стандартной форме (см. раздел П).

2) иметь построенные графики экспериментальных зависимостей (см. раздел Ш).

3) знать формулировки и физическое содержание основных законов и определений, лежащих в основе данной лабораторной работы,

4) знать физическую сущность метода измерения искомой величины;
5) уметь выводить и анализировать формулы для расчета искомых величин и оценки погрешностей;

Примечания:

1) Преподаватель может изменять вопросы и давать дополнительные.

2) Как правило, тематика лабораторных работ опережает план лекций. Поэтому подготовка студента к защите работы предполагает самостоятельную глубокую письменную проработку студентом теоретического материала. Для этого используется:

– учебник (основной источник информации);

– конспект лекций

– теория к соответствующему данной работе разделу в учебно-методическом пособии.

3) При подготовке к защите работы желательно попытаться по памятиписьменно дать ответы на контрольные вопросы в конце работы.

Внимание! За одно лабораторное занятие необходимо:

1) выполнить новую лабораторную работу;

2) обязательно защитить предыдущую работу.

Техника безопасности

При неправильном обращении с приборами возможны травмы студентов и повреждение приборов. Студент может получить удар током (при неправильном обращении с электроприборами), временно потерять зрение (при прямом попадании лазерного луча в глаз), испортить прибор в результате неправильного его включения или грубого с ним обращения и т.д.

Во избежание подобных последствий несоблюдения правил техники безопасности необходимо следующее:

1) студентам на вводном занятии ознакомиться с инструкцией по технике безопасности;

2) внимательно изучить ее, записать в ведомость по технике безопасности свою фамилии и инициалы;

3) расписаться в том, что они поняли и обязуются выполнять правила техники безопасности, и несут ответственность за нарушения.

РАЗДЕЛ I. ТЕРМОДИНАМИКА.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА.

ВВЕДЕНИЕ

Общие положения

Состояние термодинамической (т-д) системы характеризуется макроскопическими физическими величинами, называемыми параметрами (объем, давление, температура, плотность и т.д.). Если параметры системы при взаимодействии её с окружающей средой не изменяются с течением времени, то состояние системы называют стационарным. В стационарном состоянии могут находиться: а) открытые системы – которые обмениваются и энергией, и веществом с окружающими системами;

б) закрытые системы – которые обмениваются только энергией;

в) изолированные системы – которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с окружающими системами. Естественно, любая реальная т-д система не будет изолированной хотя бы потому, что её невозможно окружить оболочкой, не проводящей теплоту; изолированную систему можно рассматривать как удобную модель.

Биологические объекты являются открытыми т-д системами, они обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

Для закрытой т-д системы справедлив закон сохранения и превращения энергии, названный первым началом термодинамики: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы:

Q=ΔU+A. (I.1)

Еще одной абстракцией является обратимый процесс, в котором после возвращения системы к исходному состоянию в ней и в окружающих телах не произошло никаких изменений. В исследованиях С. Карно (проводимых с целью нахождения условий для повышения к.п.д. тепловых машин) было установлено, что для обратимого процесса сумму приведенных количеств теплоты dQ/T можно представить как разность двух значений некоторой функции состояния системы, которую Р. Клаузиус назвал энтропией S:

. (I.2)

Если процесс происходит в изолированной системе (dQ=0), то при обратимом процессе энтропия сохраняется, а при необратимом возрастает так, что полное изменение энтропии системы положительно. Или, второе начало т-д – энтропия изолированной системы не может убывать при любых происходящих в ней процессах: .

Увеличение энтропии не будет происходить беспредельно, т.к. температуры частей системы со временем выровняются, теплопередача между ними прекратится, и наступит равновесное состояние системы. При этом параметры системы будут неизменными по объему, а энтропия достигнет максимума.

С другой стороны, согласно молекулярно-кинетической теории, энтропию можно охарактеризовать как меру неупорядоченности частиц системы. Например, когда газ конденсируется или жидкость кристаллизуется при постоянной температуре, выделяется теплота (система не изолированная), и энтропия убывает. При этом происходит увеличение порядка в расположении частиц. Неупорядоченность системы численно характеризуется термодинамической вероятностью W – это число способов размещения частиц системы, при котором реализуется данное состояние системы (чем больше упорядоченность, тем меньше способов). Л. Больцман установил, что энтропия пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности:

S=k lnW, (I.3)

где k=1,38·10 ^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Живой организм – развивающаяся система, однако в небольшом интервале времени её состояние принимают за стационарное, т.е. такое, при котором параметры мало изменяются во времени. И. Пригожин сформулировал принцип минимума производства энтропии: в стационарном состоянии системы скорость возникновения энтропии вследствие необратимых процессов положительна dS/dt>0 и имеет минимальное значение при данных внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния.

Реальные процессы в природе и в технике являются неравновесными (в разных частях системы параметры имеют различные значения), а т-д системы – открытыми. В них происходят необратимые молекулярно-кинетические процессы, приводящие к изменению параметров системы во времени. Это так называемые явления переноса. К ним относятся: теплопроводность, диффузия, внутреннее трение.

Диффузией называется явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц между частями объема системы. Это – перенос массы вещества, который вызывается различием концентрации вещества в различных частях объема. Явление диффузии в химически однородном газе подчиняется закону Фика:

, (I.4)

где j_m– плотность потока массы, т.е. масса диффундирующего вещества, переносимая за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси ОХ, D – коэффициент диффузии, – градиент плотности в направлении ОХ.

Теплопроводность возникает при наличии разности температур, вызванной какими-либо внешними причинами. При этом молекулы в разных местах объема имеют разные кинетические энергии, и хаотическое тепловое движение молекул приводит к направленному переносу внутренней энергии из нагретых частей объема в более холодные. В простейшем случае одномерного переноса тепловой энергии вдоль оси ОХ в газе теплопроводность подчиняется уравнению Фурье:

, (I.5)

где j_Q – плотность теплового потока, которая есть количество теплоты, переносимое через единичную площадку, перпендикулярную ОХ за единицу времени, К – коэффициент теплопроводности, – градиент температуры в направлении ОХ.

Внутреннее трение (вязкость) связано с возникновением сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленный слой действует ускоряющая сила, а медленные слои тормозят более быстрые. Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев. Сила внутреннего трения между двумя слоями, движущимися с разными скоростями, подчинятся закону вязкого трения Ньютона:

, (I.6)

где η- коэффициент динамической вязкости (вязкость), – модуль градиента скорости в направлении ОХ, перпендикулярном направлению движения, S – площадь соприкосновения слоев. Взаимодействие двух слоев, согласно второму закону Ньютона, можно представить как процесс передачи импульса от одного слоя к другому, который за единицу времени равен действующей силе:

, (I.7)

где j_p – плотность потока импульса.

Знак «минус» в уравнениях переноса означает, что процессы направлены навстречу градиентам и, таким образом, являются процессами выравнивания параметров и направлены на приведение системы в состояние равновесия. Таким образом, термодинамические системы вообще и биологические, в частности, обладают способностью к аутостабилизации, т.е. могут самостоятельно возвращаться в исходное состояние при небольших отклонениях от него, вызванных внешним воздействием. Это принцип Ле Шателье-Брауна, который гласит: внешнее воздействие, выводящее систему из состояния равновесия, или из стационарного состояния, вызывает в этой системе процессы, стремящиеся ослабить результат внешнего воздействия.

Жидкости, для которых вязкость зависит только от их природы и температуры, называют ньютоновскими жидкостями; к ним относят воду, водные растворы, некоторые низкомолекулярные органические жидкости (спирты, ацетон). Если коэффициент вязкости зависит от давления и градиента скорости, жидкости называют неньютоновскими; к ним относят высокомолекулярные органические соединения, суспензии, эмульсии. Кровь, будучи суспензией ее форменных элементов в белковом растворе – плазме, является неньютоновской жидкостью. Поэтому законы Ньютона и Бернулли применимы для крови лишь с определенным приближением. Коэффициент вязкости крови изменяется при патологических процессах (например, при анемии вязкость крови снижается, а при полицитемии – повышается).

При течении вязкой жидкости по трубам (крови по сосудам) наблюдается ламинарное, турбулентное или смешанное течение. При ламинарном, плавном, течении отсутствует перемешивание соседних слоев потока. Если скорость потока превышает определенную величину, то согласно закону Бернулли, в разных слоях из-за большого градиента скоростей возникает разность динамических давлений и происходит перемешивание слоев, возникают завихрения, движение становится турбулентным. Скорость, при которой ламинарное течение переходит в турбулентное, называют критической скоростью и определяют её из числа Рейнольдса Re:

, (I.8)

где ρ – плотность жидкости, v – её скорость в центре трубы, D_c – диаметр трубы, η – вязкость. Например, для воды, текущей по гладкой цилиндрической трубе, Re_кр =2300.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 (1-13)