Отчета к лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен включать следующие разделы:

1. Название работы и дата выполнения.

2. Цели работы.

3. Перечень приборов и оборудования.

4. Краткое изложение теории методики измерений с выводами рабочих формул и рисунками, поясняющими физический смысл измерений.

5. Схема установки с записью ее параметров, необходимых для последующих расчетов (с указанием единиц измерения и погрешностей).

6. Экспериментальные результаты измерений должны быть представлены в виде таблиц, чисел, графиков - в соответствии с заданием, определенном в методической разработке к лабораторной работе.

7. Обработка результатов (пример расчета).

8. Вычисление погрешностей.

9. Анализ результатов: сравнение с табличными данными, с теорией, с данными других экспериментов, - с учетом погрешностей.

10. Выводы.

11. Литература

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1. Единицы измерения системы СИ.

Законы физики устанавливают связь между физическими величинами, для чего эти величины необходимо измерять. Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для многих веществ, фаз и систем, но индивидуальное в количественном отношении – в размере для конкретного вещества, фазы и системы. Размером физической величины конкретного вещества, фазы и системы называют количественное содержание в них свойства, соответствующее понятию физическая величина. Измерение есть действие, выполняемое с помощью средств измерения для нахождения значений физической величины в принятых единицах измерения. Значение физической величины – это оценка ее размера в виде некоторого числа в принятых для ее измерения единиц. Единицей измерения физической величины является заданная по размеру физическая величина, принятая в качестве основы для количественной оценки всех аналогичных физических величин. Данные единицы выбираются для нескольких независимых друг от друга физических величин и называются основными. Набор основных единиц измерений, способных выразить единицы всех физических величин, образуют Систему единиц. Остальные физические величины и их единицы, входящие в систему, но определенные через основные, называют производными.

Выражение производных величин в основных величинах является размерностью физических величин. Размерность физической величины, как и сама величина, не зависят от выбора единиц измерения. Размерность производной физической величины представляет собой произведение размерностей основных физических величин, возведенных в соответствующие степени. Для обозначения размерностей используются прописные буквы латинского или греческого алфавита. В формулах размерностей символы размерностей основных физических величин следуют в порядке: LMTIQNJ

(см.таб.) . В общем виде размерность любой физической величины Х может быть представлена равенством

dim X =

С 1963 года в СССР принята Международная система единиц СИ (SI), в которой используются семь основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела и две дополнительных – радиан и стерадиан.

Метр (м) равен 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p₁₀ и 5d₅ атома криптона-86.

Килограмм (кг) равен массе платино-иридиевого цилиндра, хранящегося в

Международном бюро мер и весов в Севре (Франция).

Секунда (с) равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133.

Ампер (А) равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывал бы на участке проводника в 1 м силу взаимодействия, равную 2 10^-7 Н.

Кельвин (К) равен 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль (моль)-количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела (кд) (свеча - устаревшее) равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 10¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

При описании физической величины также используются приставки, служащие для обозначения производных единиц метрических систем, кратных

и дольных главной единице - метру.

Таблица 1.1

Наименование	Отношение к главной единице	Сокращенное обозначение
русское	международное
Пико............. Нано............. Микро.......... Милли Санти Деци Дека Гекто Кило Мега Гига Тера	10-12 10-9 10-6 10-3 10-2 10-1 101 102 103 106 109 1012	п н мк м с д да г к М Г Т	p n μ m c d da H K M G T

2. Единицы измерения механических величин.

Для измерений механических величин в системе СИ основными единицами являются метр, килограмм, секунда.

Таблица 2.1. Размерности и единицы измерения некоторых геометрических и механических величин в системе СИ.

Величина	Формула размерностей	Единицы измерения		Величина	Формула размерностей	Единицы измерения
Длина ............ Масса ............ Время ............ Площадь ........ Объем ............ Частота .......... Угловая скорость ........ Угловое ускорение ...... Скорость ....... Ускорение ......... Сила ................... Импульс...... Импульс силы Плотность ..... Удельный вес ... Работа, энергия.	L M T L L3 T-1 T-1   T-2 LT-1 LT-2 LMT-2 LMT-1 LMT-1 L-3M L-2MT-2 L2MT-2	м кг с м2 м3 Гц (Герц)   рад/с   рад/с2 м/с м/с2 Н (Ньютон) кг м/с Н×с кг/м3 Н/м3 Дж (джоуль)	Мощность ...... Момент силы Момент инерции Момент импульса………. Импульс момента силы .... Давление (напряжение) ..... Динамическая вязкость (коэф- фициент внут- реннего трения) . Кинематическая вязкость ............. Модули линей- ного растяжения (Юнга), сдвига, всестороннего сжатия ................	L2MT-3 L2MT-2 L2M   L2MT-1   L2MT-1   L-1MT-2   L-1MT-1   L2MT-1     L-1MT-2	Вт (Ватт) Н×м кг×м2 кг×м2/с   Н×м×с   Н/м2 Н×с/м2   м2/с     Н/м2

***Символы L, Т, М в системе СИ означают соответственно единицы длины, времени и массы.

Нужно отметить, что нередко в научной и практической деятельности допускается применение внесистемных (принятые для измерения до 1963 года) единиц измерения.

Таблица 2.2 Внесистемные единицы и их связь с единицами системы СИ.

Величина	Единицы измерения
наименование	обозначение	связь с единицей системы СИ
Длина	микрон ангстрем	мкм А	1 мкм = 10-6м 1 А = 10-10м
Масса	тонна центнер карат	т ц -	1 т = 103кг 1 ц = 102кг 1 карат = 2 10-4кг
Время	час минута	ч мин	1 час = 3600 сек 1 мин = 60 сек
Плоский угол	градус минута секунда	0 / //	10 = П /180 рад 1/ = П /108 10-2рад 1// = П /648 10-3рад
Площадь	ар гектар	а га	1 а = 102 м2 1 га = 104 м2
Объем	литр	л	1 л = 1,000028 10-3 м3
Угол поворота	оборот	об	1 об = 2П рад
Угловая скорость	-	об/сек об/мин	1 об/сек = 2П рад/сек 1 об/мин = П/30 рад/сек
Сила	тонна-сила	тс	1 тс = 9,80665 103н
Работа	ватт-час	вт ч	1 вт ч =3,6 103 дж
Мощность	лошадиная сила	л.с.	1 л.с. =735,499 вт
Давление	бар   миллиметр ртутного столба   миллиметр водяного столба   техническая атмосфера   физическая атмосфера	бар мм.рт.ст. мм.вод.ст. кГ/cм2 атм	1 бар = 105 н/м2 1 мм.рт.ст.=133,322 н/м2 1 мм.вод.ст.=9,80665 н/м2 1 ат = 9,80665 104 н/м2 1 ат = 1,01325 105 н/м2 (760 мм.рт.ст.)

3.Единицы измерения тепловых величин.

Для измерений механических величин в системе СИ основными единицами являются метр, килограмм, секунда и Кельвин.

В качестве основных приняты абсолютная термодинамическая шкала температуры (Т⁰К) и стоградусная международная температурная шкала (t⁰C).

Основной реперной точкой (точкой отсчета) первой шкалы в системе СИ является температура тройной точки воды, равная 273,16 К.

Основными реперными точками второй шкалы - температуры плавления льда (0⁰С) и кипения воды (100⁰С) при нормальном давлении (101325 н/м²).

Допускается также использование внесистемных единиц, основанных

на калории и эргах.

Калория (международная) 1 кал = 4,1868 Дж.

Термохимическая калория: 1 кал_тх = 4,1840 Дж.

Эрг: 1 эрг = 10^-7 Дж.

Таблица3.1. Размерности и единицы измерения некоторых молекулярных и

тепловых величин в системе СИ.

Величина	Формула размерностей	Единицы измерения		Величина	Формула размерностей	Единицы измерения
Коэффициент диффузии……... Коэффициент внутреннего трения………… Коэффициент поверхносного натяжения…….. Удельный объем………….. Молекулярный вес……………. Количество теплоты, внутренняя энергия, энтальпия, химический потенциал……	L2Т-1   L-1MT-1     MT-2     L3М-1   М кмоль-1 L2 MT-2	м2/сек кг/м сек кг/сек2 (н/м; дж/м2) м3/кг кг/кмоль дж	Теплоемкость, энтропия……... Удельная теплоемкость, удельная энтропия……... Удельная теплота газового перехода……… Коэффициент теплопровод- ности…………. Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи.. Коэффициент температуро- проводности….	L2MT-2 град-1   L2T-2град-1   L2T-2   LMT-3 град-1     MT-3 град-1     L2T-1	дж/град   дж/кгград дж/кг вт/м град вт/м2 град м2/сек

***Символы L, Т, М в системе СИ означают соответственно единицы длины, времени и массы.

4.Единицы измерения электрических и магнитных величин.

Для измерений электрических и магнитных величин в системе СИ основным единицами являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Допускается также использование внесистемной единицы энергии-

электрон-вольта( эв ): 1эвс = (1,60210 + 0,00007) 10^-19 дж.

Таблица 4.1. Размерности и единицы измерения основных электрических и магнитных величин в системе СИ.

Величина	Формула размерностей	Единицы измерения		Величина	Формула размерностей	Единицы измерения
Работа и энергия………... Мощность…….. Количество электричества (электрический заряд)…………. Поток электри- ческого смеще-ния (индукции)... Электрическое смещение (индукция)…….. Разность потенциалов, напряжение, электродвижу-щая сила……. Электроемкость. Электрический момент………... Вектор поляри- зации (поляризо- ванность)……… Электрическая постоянная……. Напряженность электрического поля…………… Электрическое сопротивление.	L2М/Т2   L2M/T3 АТ   АТ     АТ/L2     L2M/AT3     A2T4/L2M ATL   AT/L2     A2T4/L3M   LM/AT3     L2M/A2T3	дж (джоуль) вт(ватт) к (кулон) к (кулон) к/м2 (кулон на кв.метр) в (вольт) ф(фарада к м к/м2 ф/м в/м (вольт на метр) ом	Удельное электрическое сопротивление. Удельная электрическая проводимость… Подвижность ионов…………. Магнитный поток…………. Магнитная индукция …….. Магнитный момент……….. Вектор интен-сивного намаг-ничевания (на-магниченность). Индуктивность и взаимная ин-дуктивность…. Магнитная постоянная…… Напряженность магнитного поля…………… Магнитодвижу-щая сила……...   Магнитное сопротивление.	L3M/A2T3     A2T3/L3M     AT2/M   L3M/AT2   M/AT2   AL2 A/L   L2M/A2T2     LM/A2T2   A/L     А     A2T2/L2M	ом м 1/ом м м2/в сек вб (вебер) тл (тесла) а м2 а/м гн (генри) гн/м гн/м а (ампер) ав(ампер-виток) а/вб или ав/вб

***Символы L, Т, М ,А в системе СИ означают соответственно единицы длины, времени, массы и электрического тока.

5. Единицы измерения фотометрических величин.

Фотометрия-раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины: энергетические (определяющие энергетические параметры источника оптического излучения) и световые (определяющие

воздействие света на приемники оптического излучения).

Для измерения световых величин в качестве основной единицы используется

единица силы света - кандела (кд) и производные от нее - люмен (лм) и люкс (лк).

Один люмен есть величина, равная световому потоку, испускаемому точечным источником света силой света в одну канделу внутри телесного угла

в один стерадиан: 1 лм =1 кд∙ ср.

Один люкс есть величина, равная освещенности поверхности, на один квадратный метр которой падает световой поток в один люмен : 1 лк = 1 лм/м².

Таблица5.1. Единицы измерения основных фотометрических величин в системе СИ.

Энергетическая величина	Единицы измерения		Световая величина	Единицы измерения
Поток излучения Излучательность Сила излучения Лучистость Облученность	вт вт/м2 вт/ср вт/ср•м2 вт/м2 .	Световой поток Светимость Яркость Освещенность	лм лм/м2 кд/м2 лк .

6. Некоторые единицы измерения в атомной и ядерной физике.

Атомная единица массы ( а.е.м.) – 1/16 массы атома изотопа кислорода О¹⁶ :

1 а.е.м. = 1,6597∙ 10^{-27 кг.}

Унифицированная атомная единица массы ( у.а.е.м. ) – 1/12 массы атома

изотопа углерода ₆С¹² : 1 у.а.е.м. = 1,6603 ∙ 10^{-27 кг.}

Барн – единица измерения эффективного сечения ядерных реакций :

1 барн =10^-24 см².

7. Универсальные физические постоянные.

Ниже приведены значения констант, рекомендованные Генеральной ассамблеей Международного союза чистой и прикладной физики в Варшаве в сентябре 1963 года.

Давление атмосферное нормальное:

р_о =1 атм = 1,01325∙10⁵ н /м².

Заряд элементарный:

е= ( 1,60210 ± 0,00007 ) ∙ 10^-19 к.

Заряд удельный электрона:

е / m_е = ( 1,758796 ± 0,000019 ) ∙ 10¹¹ к/кг.

Комптоновская длина волны протона:

λ_р = ( 1,32140 ± 0,00004 ) ∙ 10^-15 м.

λ_р / 2π =( 2,10307 ± 0,00006 ) ∙ 10^-16 м.

Комптоновская длина волны электрона:

λ_е = ( 2,42621 ± 0,00006 ) ∙ 10^-12 м.

λ_е / 2π = ( 3,86144 ± 0,000019 ) ∙ 10^{-13 м}.

Магнетон Бора:

µ_Б = ( 9,2732 ± 0,0006 ) ∙ 10^-24 дж/тл.

Магнетон ядерный:

µ_яд = ( 5,0505 ± 0,0004 ) ∙ 10^-27 дж/тл.

Масса покоя нейтрона:

m_n =( 1,67482 ± 0,00008 ) ∙ 10^{-27 кг =} ( 1,0086654 ± 0,0000013 ) у.а.е.м.

Масса покоя протона:

m_p = ( 1,67252 ± 0,00008 ) ∙ 10^-27 кг = ( 1,00727663 ± 0,0000024) у.а.е.м.

Масса покоя электрона:

m_e = ( 9,1091 ± 0,0004 ) ∙ 10^-31 кг = ( 5,48597 ± 0,00009 ) у.а.е.м.

Момент магнитный протона:

µ_р = ( 1,41049 ± 0,00013 ) ∙ 10^-26 дж/тл.

µ_р / µ_яд = (2,79276 ± 0,00007).

Момент магнитный аномальный электрона:

µ_е / µ_Б – 1 = ( 1,159615 ± 0,000015 ) ∙ 10^-3.

Объем одного киломоля идеального газа при нормальных условиях:

V₀ = ( 22,4136 ± 0,0030) м³.

Постоянная Больцмана:

k = ( 1,38054 ± 0,00018 ) ∙ 10^-23 Дж/ ⁰К

Постоянная Вина:

b = ( 2,8978 ± 0,0004 ) ∙ 10^{-3 м} ∙ ⁰К

Постоянная газовая:

R = ( 8,3143 ± 0,0012 ) ∙ 10³ Дж/(⁰К∙кмоль)

Постоянная гравитационная:

g = ( 6,670 ± 0,015 ) ∙ 10^-11 м³/(кг∙с²)

Постоянная зеемановского расщепления:

µ_Б/(hc) = ( 46,6858 ± 0,0004 ) 1/(м∙Тл)

Постоянная Планка:

h = ( 6,6256 ± 0,0005 ) ∙ 10^-34 Дж∙с

Постоянная радиационная первая:

с₁ = 2πhc² = ( 3,7405 ± 0,0003 ) ∙ 10^-16 Вт∙м²

Постоянная радиационная вторая:

с₂ = hc/k =( 1,43879 ± 0,00019 ) ∙ 10^-2 м∙⁰К

Постоянная Ридберга:

R_¥^/ = ( 1,0973731 ± 0,0000003 ) ∙ 10⁷ 1/м

Постоянная Стафана-Больцмана:

s = ( 5,6697 ± 0,0029 ) ∙ 10^-8 Вт/(м²∙⁰К⁴)

Постоянная тонкой структуры:

a = ( 7,29720 ± 0,00010 ) ∙ 10^-3

Постоянная магнитная:

m₀ = 4π∙10^-7 Гн/м

Постоянная электрическая:

e₀ = 10⁷/(4πс²) Ф/м

Радиус первой боровской орбиты:

а₀ = ( 5,29167 ± 0,00007 ) ∙ 10^{-11 м}

Радиус электрона классический:

r_e = ( 2,81777 ± 0,00011 ) ∙ 10^{-15 м}

Скорость света в вакууме:

с = ( 2,997925 ± 0,000003 ) ∙ 10⁸ м/с

Ускорение свободного падения стандартное:

g = 9,80665 м/с²

Число Авагадро:

N_A = ( 6,02252 ± 0,00028 ) ∙ 10²³ 1/кмоль

Число Фарадея:

F = ( 9,64870 ± 0,00016 ) ∙ 10⁷ к/(кг∙экв)

Энергия покоя нейтрона:

m_nc² = ( 939,550 ± 0,015 ) Мэв

Энергия покоя протона:

m_pc² = ( 938,256 ± 0,015 ) Мэв

Энергия покоя электрона:

m_ec² = ( 0,511006 ± 0,000005 ) Мэв

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

При выполнении работ в лабораторном практикуме необходимо иметь четкие представления о принципах действия используемых приборов, их достоинствах и недостатках, а также уметь правильно выбрать предел измерения, рассчитать цену деления прибора, приборную погрешность.

Измерительные приборы - устройства или технические приспособления, служащие для сравнения измеряемой величины с мерой (единицей измерения). Для измерения электрических величин установлены меры электрической емкости, индуктивности, ЭДС (нормальные элементы), напряженности магнитного поля, частоты колебаний, электрического сопротивления.

Измерительные приборы классифицируются по различным признакам: по положенным в основу измерения методам и физическим явлениям, по конструктивным особенностям, по эксплуатационным характеристикам, по роду измеряемой величины и т.д. Напомним, что по принципу действия все электроизмерительные приборы делятся на следующие основные типы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, тепловые. Кроме указанных существуют и другие системы приборов, которые в лабораторном практикуме применяются сравнительно редко.

Наиболее распространенными являются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

В приборах магнитоэлектрической системы используется действие магнитного поля (постоянного магнита) на подвижную рамку с током. Приборы этой системы имеют равномерные шкалы, обладают высокой чувствительностью и точностью, но пригодны только для постоянного тока. Недостатком приборов этой системы, является низкая механическая и электрическая прочность.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на втягивании ферромагнитного сердечника в магнитное поле тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки. К достоинствам приборов этой системы можно отнести простоту конструкции, большую механическую прочность, выносливость к перегрузкам, пригодность как для постоянного, так и для переменного тока; к недостаткам - неравномерность шкалы, зависимость от внешних магнитных полей, низкую чувствительность.

В приборах электродинамической системы используется взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по обмоткам неподвижной и подвижной катушек. Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью и применяются для измерения тока, напряжения и мощности как постоянного, так и переменного токов. Недостатки этих приборов те же, что и у приборов электромагнитной системы.