Все о  лабораторных работах

Как выполнить и оформить лабораторную работу

  При изучении физики учащиеся должны научиться выполнять и правильно оформлять лабораторные работы. Главное на первых уроках физики научить учащихся знакомиться с основными приемами проведения физических измерений и правилами обработки результатов.        При этом должны быть выработаны определенные навыки, что является предпосылкой дальнейшей успешной работы на уроках физики. Целью лабораторных работ является более глубокое осознание учащимися физических явлений и законов. Эта задача может быть успешно решена только в том случае, если лабораторные работы выполняются с достаточным пониманием сущности исследуемых явлений. Поэтому домашняя подготовка к выполнению лабораторной работы является одним из важнейших этапов.

Подготовка к лабораторной работе.

  При подготовке к работе рекомендуется придерживаться следующего плана.

Прочитать название работы и выясните смысл всех непонятных слов.

Прочитать описание работы от начала до конца, не задерживаясь на выводе формул. Задача первого прочтения состоит в том, чтобы выяснить, какова цель лабораторной работы, какой физический закон или явление изучается в данной работе и каким методом она проводится.

Прочитать по учебнику материал, относящийся к данной работе. Разобрать вывод формулы по учебнику (если это необходимо). Найти ответы на контрольные вопросы, приведенные в конце описания работы (если они имеются).

Рассмотреть по учебнику устройство и принцип работы приборов, которые будут использоваться в работе.

Выяснить, какие физические величины и с какой точностью будут непосредственно измеряться и каковы их наименования.

Рассмотреть в описании лабораторной работы в учебнике принципиальную схему эксперимента и таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений. Если таблицы в работе нет, составить ее.

 Продумать, какой окончательный результат и вывод должен быть получен в данной лабораторной работе.

Выполнение лабораторной работы.

  При выполнении работы вначале следует ознакомиться с приборами. Нужно установить их соответствие описанию, выполнить рекомендованную в описании прибора последовательность действий по подготовке прибора к работе. Определить цену деления шкалы прибора и его погрешность измерений. Далее следует провести предварительный опыт с тем, чтобы пронаблюдать качественно изучаемое явление, оценить, в каких пределах находятся измеряемые величины. После проведенной подготовки можно приступать к измерениям. Следует помнить, что всякое измерение, если только это возможно сделать, должно выполняться больше, чем один раз.

Производимые по приборам измерения записываются сразу же после их выполнения в том виде как они считаны со шкалы прибора - без каких-либо пересчетов на множитель шкалы (при наличии таковой) или систему единиц. Единицы измерений (множитель) должны быть записаны в заголовке соответствующей таблицы или в столбце с результатами измерений. Все записи при выполнении лабораторной работы должны вестись исключительно в тетради для лабораторных работ (можно и на черновике или специально подготовленном бланке (протоколе) для черновых записей. Данный бланк  является черновиком, а тетрадь -  чистовиком. Ее следует вести самым аккуратнейшим образом. В тетради для лабораторных работ оформляется выполненная работа  согласно указаний по ее выполнению.

Оформление лабораторной работы.

 Неграмотно оформленные рабочие записи порядка выполнения лабораторной работы и результаты измерений может свести на нет всю проделанную работу.

 Правильно оформлять в тетради выполнение лабораторной работы научиться нетрудно, нужно только внимательно выполнять некоторые элементарные требования. Записи результатов при выполнении лабораторной работы допускается делать как в тетради, так и на отдельных подписанных листках.

При выполнении лабораторной работы очень важно сразу же записывать всё проделанное. Все результаты прямых измерений следует записывать немедленно и без какой либо обработки только ручкой.Из этого правила нет исключений. Записи должны быть такими, чтобы их без особых затруднений можно было понять спустя некоторое время. Примеры обычных ошибок - неясность и двусмысленность. Буквы и цифры необходимо писать отчётливо.

Привычка к исправлениям цифр - враг ясности. Не заставляйте своего учителя, проверяющего ваши записи в тетради, да и себя тоже, ломать голову над исправленными цифрами.

Не проводите никаких, даже самых простейших вычислений в уме, прежде чем записать результат измерений.

Не забудьте сделать в тетради рисунок или схему установки когда это необходимо. Есть древняя китайская пословица: "Один рисунок лучше тысячи слов". Рисунок и надписи к нему нужно делать карандашом, чтобы можно было воспользоваться ластиком для исправлений ошибок.

Если есть возможность провести предварительные расчёты без погрешностей, то это нужно сделать, чтобы убедиться в правильности выполнения эксперимента. Если в работе возможно построить график, это необходимо сделать. На графиках по горизонтали обычно откладывается причина, а по вертикали следствие.

Итак, правильно  оформленная лабораторная работа должна содержать в себе следующие разделы.    

Название  работы и её №.

Оборудование.                                                             

Данные для расчёта погрешности измерений.

Цель работы (можно и не писать. Она сформулирована в учебнике).

Рисунок или схема установки с используемыми в работе символами измеряемых величин (при необходимости).

Порядок выполнения работы.

Результаты всех прямых измерений.

а) записи результатов измерений не должны допускать различных толкований;

б) кажущиеся ошибочными записи зачёркивать так, чтобы их при необходимости можно было прочитать;

в) не допускать подтёртостей и замалёвываний записей, не допускать переписывания выполнения работы. Это приводит к возможной потере информации и исключает вероятность подделки результатов.

Результаты измерений и вычислений (без погрешностей) в виде таблиц.

Графики.

Вывод (должен соответствовать цели работы). В выводе указать о погрешности измерения.

Критерии оценивания лабораторной работы.

  Оценка «5» ставится, если учащийся выполняет работу в полном объеме с соблюдение6м необходимой последовательности проведения опытов и измерений, самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование, все опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов, соблюдает требования правил техники безопасности, правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, правильно выполняет анализ погрешностей.

  Оценка «4» ставится, если выполнены все требования к оценке «5», но было допущено два- три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета

  Оценка «3» ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной ее части позволяет получить правильный результат и вывод, или если в ходе проведения опыта и измерения были допущены ошибки

  Оценка «2» ставится, если работа выполнена не полностью, или объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов, или если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

   Во всех случаях оценка снижается, если ученик не соблюдал правила техники безопасности!

Грубые ошибки:

незнание определений основных понятий, законов, правил, основных положений теории, формул, общепринятых символов обозначения физических величин, единиц их измерения;

неумение выделять в ответе главное;

неумение применять знания для решения задач и объяснения физических явлений, неправильно сформулированные вопросы задачи или неверные объяснения хода ее решения, незнание приемов решения задач, аналогичных ранее решенным в классе, ошибки, показывающие неправильное понимание условия задачи или неправильное истолкования решения;

неумение читать и строить графики и принципиальные схемы;

неумение подготовить к работе установку или лабораторное оборудование, провести опыт, необходимые расчеты, или использовать полученные данные для выводов;

небрежное отношение к лабораторному оборудованию и измерительным приборам;

неумение определять показание измерительного прибора;

нарушение требований правил безопасного труда при выполнении эксперимента.

Негрубые ошибки:

неточность формулировок, определений, понятий, законов, теорий, вызванные неполнотой охвата основных признаков определяемого понятия, ошибки, вызванные несоблюдением условий проведения опыта или измерений;

ошибки в условных обозначениях на принципиальных схемах, неточности чертежа, графиков, схем;

пропуск или неточное написание наименований единиц измерения физических величин;

нерациональный выбор хода решения.

О числовых расчетах

   При вычислениях обычно пользуются микрокалькулятором, в результате на индикаторе в ответе автоматически получается столько цифр, сколько их вмещается на нем. При этом создается впечатление об избыточной точности результата. В то же время результаты измерений являются приближенными числами. Напомним (см., например, М.Я.Выгодский, Справочник по элементарной математике), что для приближенных чисел отличают запись 2,4 от 2,40, запись 0,02 от 0,0200 и т.д. Запись 2,4 означает, что верны только цифры целых и десятых, истинное же значение числа может быть, например, 2,43 или 2,38. Запись 2,40 означает, что верны и сотые доли, истинное число может быть 2,403 или 2,398, но не 2,421 и не 2,382. То же отличие проводится и для целых чисел. Запись 382 означает, что все цифры верны. Если же за последнюю цифру ручаться нельзя, то число округляется, но записывается не в виде 380, а в виде 38·10. Запись же 380 означает, что последняя цифра (ноль) верна. Если в числе 4720 верны лишь первые две цифры, его нужно записать в виде 47·10² или 4,7·10³. В тех случаях, когда численные значения физических величин много больше либо много меньше единицы, их принято записывать в виде числа между 1 и 10, умноженного на соответствующую степень десяти.

   Число знаков в окончательном результате устанавливается по следующим правилам. Сначала ограничивается число значащих цифр погрешности. Значащими цифрами называются все верные цифры числа кроме нулей, стоящих впереди числа. Например, в числе 0,00385 три значащие цифры, в числе 0,03085 четыре значащие цифры, в числе 2500 - четыре, в числе 2,5·10³ - две. Погрешность записывается всегда с одной или двумя значащими цифрами. При этом руководствуются следующими соображениями.

Величина случайной погрешности, полученная из обработки результатов некоторого числа измерений, сама является случайным числом, т.е., если проделать это же число измерений еще раз, то, вообще говоря, будет получен не только другой результат для измеряемой величины, но и другая оценка для погрешности. Поскольку погрешность оказывается случайным числом, то, пользуясь законами математической статистики, можно и для нее найти доверительный интервал. Соответствующие расчеты показывают, что даже при довольно большом числе измерений этот доверительный интервал оказывается весьма широким, т.е. величина погрешности оценивается достаточно грубо. Так при 10 измерениях относительная погрешность у погрешности превышает 30%. Поэтому для нее следует приводить две значащие цифры, если первая из них 1 или 2, и одну значащую цифру, если она равна или больше 3. Это правило легко понять, если учесть, что 30% от 2 составляет 0,6, а от 4 уже 1,2. Таким образом, если погрешность выражается, например, числом, начинающимся с цифры 4, то это число содержит неточность (1,2), превышающую единицу первого разряда.

   После того, как погрешность записана, значение результата должно быть округлено таким образом, чтобы его последняя значащая цифра была того же разряда, что и у погрешности. Пример правильного представления окончательного результата: t = (18.7± 1.2)·10²с.

Правила построения графиков

   Графики строятся на миллиметровой бумаге, на которую прежде всего наносятся координатные оси. На концах осей указываются откладываемые физические величины и их размерности. Затем на оси наносят масштабные деления так, чтобы расстояние между делениями составляло 1, 2, 5 единиц (или 0.1, 0.2, 0.5, или 10, 20, 50 и т.д.). Обычно порядок масштаба, т.е. 10^±n выносится на конец оси. Например, для пути, пройденного телом, вместо 1000, 1100, 1200 и т.д. метров около масштабных делений пишут 1.0, 1.1, 1.2, а в конце оси физическую величину обозначают как S, 10³ м или S·10^-3, м. Точка пересечения осей не обязательно должна соответствовать нулю по каждой из осей. Начало отсчета по осям и масштабы следует выбирать так, чтобы график занял всю координатную плоскость. После построения осей на миллиметровку наносят экспериментальные точки. Их обозначают маленькими кружками, квадратиками и т.д. Если на одной координатной плоскости строится несколько графиков, то для точек выбираются разные обозначения. Затем от каждой точки вверх, вниз и вправо, влево откладывают отрезки, соответствующие погрешностям точек в масштабах осей. Если погрешность по одной из осей (или по обеим осям) оказывается слишком малой, то предполагается, что она отображается на графике размером самой точки.

Экспериментальные точки, как правило, не соединяются между собой ни отрезками прямой, ни произвольной кривой. Вместо этого строится теоретический график той функции (линейной, квадратичной, экспоненциальной, тригонометрической и т.д.), которая отражает проявляющуюся в данном опыте известную или предполагаемую физическую закономерность, выраженную в виде соответствующей формулы. В лабораторном практикуме встречаются два случая: проведение теоретического графика преследует цель извлечения из эксперимента неизвестных параметров функции (тангенса угла наклона прямой, показателя экспоненты и т.д.) либо делается сравнение предсказаний теории с результатами эксперимента.

   В первом случае график соответствующей функции проводится "на глаз" так, чтобы он проходил по всем областям погрешности возможно ближе к экспериментальным точкам. Существуют математические методы, позволяющие провести теоретическую кривую через экспериментальные точки в определенном смысле наилучшим образом. При проведении графика "на глаз" рекомендуется пользоваться зрительным ощущением равенства нулю суммы положительных и отрицательных отклонений точек от проводимой кривой.

Во втором случае график строится по результатам расчетов, причем расчетные значения находятся не только для тех точек, которые были получены в опыте, а с некоторым шагом по всей области измерений для получения плавной кривой. Нанесение на миллиметровку результатов расчетов в виде точек является рабочим моментом -после проведения теоретической кривой эти точки с графика убираются. Если в расчетную формулу входит уже определенный (или заранее известный) экспериментальный параметр, то расчеты проводятся как со средним значением параметра, так и с его максимальным и минимальным (в пределах погрешности) значениями. На графике в этом случае изображается кривая, полученная со средним значением параметра, и полоса, ограниченная двумя расчетными кривыми для максимального и минимального значений параметра.

   Правила построения графиков рассмотрим на следующем примере. Предположим, что в опыте исследовался закон движения некоторого тела. Тело двигалось прямолинейно, и задачей опыта было измерение расстояния, которое тело проходит за различные промежутки времени. После проведения некоторого числа опытов и обработки результатов измерений были найдены средние значения измеряемых величин и их погрешности. Требуется изобразить результаты опыта, представленные в таблице, в виде графика и найти из графика скорость тела, предполагая, что движение равномерное.

Последовательность операций

Строим оси координат и устанавливаем на них шкалы, исходя из интервалов изменения измеренных величин. Начало оси абсцисс (время) берем при t=30 с, а начало оси ординат (расстояние) -при S=80 см. Размечаем ось абсцисс с шагом 10 с, а ось ординат с шагом 20 см.

Наносим на координатную плоскость точки, представленные в таблице. Для каждой точки откладываем влево и вправо погрешность Dtв масштабе оси абсцисс, а вверх и вниз -погрешность DSв масштабе оси ординат.

Исходя из предположения о равномерном движении, т.е. о линейной зависимости S(t)=v₀t, проводим прямую с таким расчетом, чтобы она наилучшим образом проходила через все измеренные точки. При проведении прямой учитываем, что в данном опыте при t=0 путь S=0 независимо от скорости, т.е. согласно теоретической формуле продолжение прямой должно проходить через точку (0,0), которая находится за пределами рабочего участка координатной плоскости. Так как скорость v=dS/dt, а производная геометрически представляется тангенсом угла наклона касательной к графику функции, то для равномерного движения тангенс угла наклона прямой дает скорость v₀. Находить из графика следует именно тангенс, т. е. отношение противолежащего катета к прилежащему, взятых в масштабных единицах соответствующих осей. Очевидно, что угол наклона прямой зависит от выбора масштаба на осях. Поэтому измерение угла с последующим определением его тангенса смысла не имеет.

Для оценки погрешности проводим через экспериментальные точки еще две прямые -с максимальным и минимальным наклоном в пределах погрешностей большинства точек и с учетом того, что продолжения этих прямых должны пересекать точку (0,0). Определяем тангенс угла наклона этих прямых и устанавливаем интервал, в пределах которого находится искомая величина (скорость).

Окончательный результат построений показан на рисунке 1:

Следует заметить, что графическая обработка опытных данных не столь строга, как аналитическая, зато она проста и наглядна.

В тех случаях, когда диапазон изменений измеряемой величины превышает порядок, при построении графика обычно применяют логарифмический масштаб. Для построения логарифмической шкалы по оси от начальной точки в некотором масштабе откладываются отрезки, равные десятичным логарифмам ряда чисел. Если отложен lga, то около соответствующей точки ставится пометка a. Около начальной точки должна стоять пометка 1 (lg1=0). Таким образом, на логарифмической шкале расстояние от пометки 1 до пометки aравно в выбранном масштабе lga. Так как lg(10a)=1+ lga, то пометки на логарифмической шкале на участке от 10 до 100 будут в точности соответствовать пометкам на участке от 1 до 10. Это же рассуждение может быть проведено и для других участков шкалы. Поэтому, для изображения чисел от 1 до 100 на логарифмической оси требуется увеличить длину оси всего в два раза по сравнению с осью, размеченной от 1 до 10. Пусть, например, на оси длиной 10 см требуется отобразить числа от 1 до 100. Тогда на одну декаду будет приходиться 5 см. Соответственно пометка 2 должна стоять на расстоянии lg2·5=1.5см от начала оси, пометка 3  на расстоянии lg3·5=2.4 см, а пометка 30 на расстоянии lg30·5=7.4 см. Ниже приведен пример участка оси с логарифмической шкалой (рис.2).

Рис. 1

Рис.2

https://lslsm.jimdo.com/%D0%BB%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D1%8B/