МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

Л А Б О Р А Т О Р Н И Й П Р А К Т И К У М

Лабораторний практикум з біофізики має на меті закріплення знань, що студенти одержують на лекціях та практичних заняттях, а також ознайомлення студентів в лабораторних умовах з рядом біофізичних явищ, вивчення методик вимірювання фізичних величин та їх обробка. Кожна лабораторна робота містить коротку теорію або теретичні відомості про явища, що вивчаються, описання методу вимірювання основних біофізичних характеристик, порядок виконання лабораторної роботи, а також додаткові запитання, на які студент має підготувати усну відповідь.

1. ОСНОВНІ ПРАВИЛА РОБОТИ В ЛАБОРАТОРІЯХ

1. Користуватися приладами та обладнанням дозволяється тільки у відповидності до інструкції та вказівок викладача.

2. Перед виконанням лабораторної роботи шляхом зовнішнього огляду потрібно переконатися в тому, що прилади, вимірювальні установки, обладнання – справні.

3. Забороняється працювати студенту в лабораторії при відсутності викладача.

4. Забороняється вмикання до єлектричної мережі чи під’єднання до будь-якого іншого джерела струму електричного кола. Електричні кола перевіряє викладач.

5. Забороняється залишати без догляду прилади, ввімкнені в електромережу.

МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ

1. Виконання лабораторних робіт відбуваєтся згідно графіку, що його на вступному занятті видає кожному студенту викладач.

2. Студенти готуються виконувати лабораторні роботи до початку занять. Підготовка складається з ознайомлення з інструкцією до лабораторної роботи, короткому конспектуванні інструкції в окремому зошиті. Конспект має містити номер роботи та її назву, основні закони та робочі формули (без доведень), малюнок схеми установки, таблиці для занесення результатів вимірювань і наступних розрахунків.

3. Викладач контролює готовність студента до виконання лабораторної роботи. До контролю входять перевірка конспекту роботи, перевірка знання мети роботи, основних явищ і законів, формул, порядку виконання роботи і розрахунку шуканих величин.

4. Захист лабораторної роботи проводиться після закінчення оформлення звіту. В таблицю мають бути занесені результати вимірювань та розрахунків, їх розмірність. Після таблиці має бути наведений приклад розрахунку із зазначенням розмірностей всіх величин, що входять в розрахункову формулу. Закінчують звіт кінцевим результатом, в якому наводять шукану величину(и) і похибку,відповідно округлені і з розмірністю.

5. Захист лабораторної роботи проводиться на данному або наступному занятті. Студенти, що мають заборгованність з двох робіт, не допускаються до виконання наступної роботи до ліквідації боргу.

3. ПОБУДОВА ГРАФІКІВ

У деяких роботах результати досліджень необхідно подавати у вигляді графіків. Для побудови графіка необхідно на підставі зроблених вимірювань скласти таблицю, в котрій кожному значенню однієї величини відповідає визначене значення другої.

При побудові графіка значення незалежної змінної величини слід відкладати на осі абсцис, а значення функції – на осі ординат. Біля кожної осі треба написати найменування відповідної величини і вказати, в яких одиницях вона виміряна. Для правильної побудови графіка важливим є вибір масштабу. Слід вибирати масштаб таким чином, щоб графік зайняв все графічне поле і щоб розміри графіка по обох осях були наближено однаковими. При цьому слід мати на увазі, що перетини ординатних осей не обов’язково повинні збігатися з нульовими значеннями величин, що відкладаються по осях. Коли масштаб і початок координат вибрані, приступають до побудови графіка. На підставі данних таблиці наносять на координатні осі точки. Якщо були визначені абсолютні похибки вимірювань, то їх числове значення відкладають по обидва боки від точки у вигляді хрестика так, щоб точка опинилась у центрі хреста. Оскільки всі вимірювання зроблені з тією чи іншою похибкою, точки не вкладаються точно на криві. Тому між точками проводять таку плавну криву лінію, щоб якомога більша кількість точок лягла на цю лінію, а інші розподілились рівномірно вище і нижче кривої (див. графік, наведенний на рис.1).

Побудований графік дозволяє виявити ті вимірювання, які були зроблені неправильно, якщо яка-небудь точка занадто випадає з графіка, нею треба знехтувати, а дані вимірювань перевірити. Користуючись графіком, можна у межах проведенних вимірювань інтерполювати, інакше кажучи, знайти значення величини “Y” для таких значень “Х”, котрі безпосередньо не вимірювались. Для цього з вибраної точки осі абсцис треба провести ординату до перетину з графиком. Довжина цієї ординати і буде визначати значення “Y” для відповідного “Х”.

Часто при побудові графіків на осях координат вікладають не самі величини, а їх функції (квадрати, логарифми, показникові і т.і.). У цьому випадку зручніше користуватися напівлогарифмічними, або логарифмічніми масштабами.

Напівлогарифмічна система координат – це прямокутна система, на одній осі якої відкладено рівномірний масштаб, а на другій – логарифмічний. Напівлогарифмічна система координат зручна для побудови графіків показникових функцій y=Aexp(kx). Дійсно, lgy = lgA+kxlge. Нехай lgy = Y; lgA = a; klge = b. Після підстановки маємо функціональну залежність Y = a + bx. Якщо побудувати графік такої залежності, то він буде являти собою пряму лінію.

Логарифмічна система координат – така система, коли на обох осях відкладаються логарифмічні масштаби. Вона дуже зручна для побудови графіків ступеневих функцій типу y=Ax^k. Дійсно, lgy=lgA+klgx. Нехай lgy=Y, lgx=X. Тоді Y = a+kX. З шкільного курсу відомо, що цей графік є пряма лінія.

4. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО МІЖНАРОДНУ СИСТЕМУ ОДИНИЦЬ SI

Система SI базується на таких основних одиницях:

Метр (м) – довжина, що дорівнює 1650763,73 довжини хвилі у вакуумі випромінювання, яке відповідає переходу між рівнями 2р¹⁰ і 5d⁵ криптону-86.

Кілограм (кг) – маса, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму.

Секунда (с) – час, який дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Ампер (А) – сила незмінного струму, при проходженні якого по кожному з двох паралельних прямолінійних бесконечних провідників безмежно малого кругового перетину, що розміщені на відстані 1 м. один від іншого, викликає між цими провідниками силу взаємодії 2*10^-7 Н на кожен метр довжини.

Кельвін (К) – 1/273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води.

Кандела (кд) – сила світла, випромінюваного з поверхні площею 1/600000 м² повного випромінювача в перпендикулярному напрямку при температурі твердіння платини при тискові 101325 Па.

Моль (моль) – кількість речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки їх є в 0,012 кг нукліду С¹².

Означення деяких похідних одиниць системи.

Ньютон (Н) – сила, що надає тілу масою 1 кг прискорення 1 м/с² за напрямком дії сили.

Джоуль (Дж) – робота, яка виконується силою 1Н на шляху 1 м.

Кулон (Кл) – кількість електрики, що проходить через поперечний перетин провідника за час 1 с при силі струму 1А.

Вольт (В) – різниця потенціалів двох точок електричного поля, при переміщенні між якими заряду 1 Кл виконується робота 1 Дж.

Фарад (Ф) – ємність проводника, потенціал якого підвищується на 1 В при наданні йому заряду 1 Кл.

Ом (Ом) – опір провідника, по якому тече струм 1 А при напрузі 1 В на його кінцях.

Вебер (Вб) – магнітний потік, при зменшенні якого до нуля за 1 с в зчепленному з ним контурі виникає ЕРС 1 В.

Тесла (Тл) – індукція такого однорідного магнітного поля, в якому магнітний потік через площу 1 м², перпендикулярну напряму поля, дорівнює 1 Вб.

Люмен (лм) – світловий потік, що дає точкове джерело силою світла 1 кд в тілесний кут 1 стерадіан.

Люкс (лк) – освітленість, що створює світловий потік 1 лм при рівномірному його розподілі на площі 1 м².

Похідні одиниці

Механічні та теплові велечини

Площа S=xy квадратний метр м²

Об’єм V=xyz кубічний метр м³

Швидкість v=x/t метр за секунду м/с

Кутова швидкість ω=φ/t радіан за секунду рад/с

Прискорення a=v/t метр на секунду в квадраті м/с²

Кутове прискорення β=ω/t радіан на секунду в квадраті рад/с²

Період Т=t/n секунда с

Частота ν=1/Т герц Гц=1/с

Кутова частота ω=2πν радіан за секунду рад/с

Сила F=ma ньютон Н=кг м/с²

Питома вага d=F/V ньютон на кубічний метр Н/м³

Густина ρ=m/V кілограм на кубічний метр кг/м³

Імпульс p=mv кілограм - метр за секунду кг м/с

Робота, енергія,

кількість теплоти А=Fl джоуль Дж=Н м

Потужність N=A/t ват Вт=Дж/с

Тиск P=F/S паскаль Па=Н/м²

Коефіцієнт

поверхневого натягу δ=F/l ньютон на метр Н/м

Коефіціент

в’язкості η=F/(∆v/∆t)S паскаль – секунда Па с

Електричні, магнітні, світлові величини

Кількість електрики q=I t кулон Кл=А с

Потенціал, ЕРС φ=A/q вольт В=Дж/Кл

Напруженність

електричного поля Е=F/q вольт на метр В/м

Поверхнева густина

заряду σ=q/S кулон на квадратний метр Кл/м²

Електроємність C=q/φ фарада Ф=Кл/В

Електричний опір R=U/I ом Ом=В/А

Напруженність

магнітного поля H=I/2r ампер на метр А/м

Магнітний потік Ф=φ t вебер Вб=В с

Магнітная індукція В=Ф/S тесла Тл=Вб/м²

Світловий потік Ф=І Ω люмен лм=кд ср

Світлова енергія W=Ф t люмен на секунду лм с

Освітленість Е=Ф/S люкс лк=лм/м²

Яскравість В=І/S кандела на квадратний метр кд/м²

Префікси для утворення кратних та часткових величин

Співвідношення між одиницями SI та одиницями інших систем

1 м = 10² см = 10⁶ мкм = 10⁹ нм = 10¹⁰ Å

1 кг = 10³ г = 0,102 т.о.м. = 6,02 10²⁶ а.о.м.

1 Н = 10⁵ дн = 0,102 кГ

1 Дж = 0,102 кГм = 0,239 кал

1 Вт = 0,102 кГм/с = 1,36 10^-3 к.с.

1 Па = 0,102 кГ/м² = 1,02 10^-5 ат = 9,87 10^-6 атм = 7,5 10^-3 мм.рт.ст. = 0,102 мм.вд.ст.

1 А/м = 1,26 10^-2 ерстед (Е)

1 Вб = 10⁸ максвел (Мкс)

1 Тл = 10⁴ гаус (Гс)

5. МЕТОДИКА ОБРОБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДУ

5.1. Вимірювання

Вимірюванням будь-якої фізичної величини називають дію, в результаті якої визначають, у скільки разів вимірювана величина більша (меньша) за величину, обрану за еталон.

В основу системи SI, як ми бачили вище, покладені сім основних еталонів: метр, кілограм, секунда, кельвін, моль, ампер, кандела та два додаткові – радіан і стерадіан.

Процес вимірювання може здійснюватись по-різному, залежно від роду вимірюваної величини та прийомів вимірювань. Розрізняють два різновиди вимірювань – прямі вимірювання та непрямі.

5.2.Класифікація вимірювань.

Всі вимірювання, які здійснюються в фізиці, можуть бути поділені на дві групи: прямі та непрямі.

5.2.1. Прямі вимірювання

При прямих вимірюваннях величина, яка визначається, безпосередньо порівнюється з одиницею виміру за допомогою приладу з градуйованою шкалою. До таких вимірювань належать вимірювання довжини масштабною лінійкою або штангенциркулем, мікрометром, оптиметром,інтерферометром, лазерним довгоміром; вимірювання маси на терезах за допомогою різноваг, автоматичних або електронних вагах; вимірювання проміжків часу за допомогою годинника, секундоміра, частотоміра, осцилографа; вимірювання температури термометром, термопарою та пірометром випромінювань; вимірювання сили струму за допомогою амперметра, гальванометра, електронними приладами і т.д.Значення вимірюваної величини при цьому відраховується за шкалою або підраховується число та значеняя мір, різноваг і т.д.

5.2.2. Непрямі вимірювання.

При непрямих (посередніх) вимірюваннях шукана величина вираховуєтся за результатами прямих вимірювань інших величин, що пов’язані з вимірюваною функціональною залежністю.

Наприклад, якщо неможливо безпосередньо визначити значення прискорення сили тяжіння g, ії легко знайти із співвідношеннь:

g = 2h/t², g = 4π²l/T².

Прикладами непрямих вимірювань є результати вимірювань швидкості руху за величиною шляху та проміжку часу, вимірювання густини за вимірами маси тіла та його об’ему та ін.

5.3. Точність вимірів та її роль

Немає жодної галузі техніки, галузі господарства, де не проводили б вимірювань фізичних величин. Вимірювання дозволяють об’ективно оцінити фізичні явища і використати їх для розвитку науки і техніки.

Без вимірювань неможливий контроль за технологією та якістю кінцевого продукту.

Однак, ніяке вимірювання не може бути абсолютно точним. Його результат неодмінно містить деяку похибку. Вимірюючи приладом якусь величину, ми не спроможні зробити похибку меншу тієї, що визначаеться похибкою вимірювального пристрою. Разом з тим немає сенсу домагатися більшої точності вимірювань, ніж це необхідно для вирішення поставленного завдання. Удосконалення техніки вимірювань шляхом підвищення їх точності сприяє не тільки досягненням в науці, але й має важливе народногосподарське значення.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: