В помощь молодому учителю "О лабораторных работах"

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:

1. Прочитать название работы и выясните смысл всех непонятных слов.
2. 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.
3. 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).
4. Рассмотреть по учебнику устройство и принцип работы приборов, которые будут использоваться в работе.
5. Выяснить, какие физические величины и с какой точностью будут непосредственно измеряться и каковы их наименования.
6. 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.
7.  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.                                                             

Цель работы

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.

Погрешности измерений. 

   Выполнение лабораторных и практических работ по физике связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов. Измерением называется операция сравнения величины исследуемого объекта с величиной единичного объекта (или Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств). Так, например, за единицу длины принят метр, и в результате измерения длины некоторого отрезка определяется, сколько метров содержится в этом отрезке. В физике и технике не существует абсолютно точных приборов и других средств измерения, следовательно, нет и абсолютно точных результатов измерения. Однако измерять все же приходится. На сколько можно доверять полученным результатам?

   Принято различать прямые и косвенные измерения. При прямом измерении производится непосредственное сравнение величины измеряемого объекта с величиной единичного объекта.   Другими словами - это такое измерение, в котором результат находится непосредственно в процессе считывания со шкалы (или показаний цифрового прибора). В результате искомая величина находится прямо по показаниям измерительного прибора, например, объем - по уровню жидкости в измерительном цилиндре (мензурке), вес - по растяжению пружины динамометра и т.д.  Погрешность прямого измерения (обозначается значком ∆) зависит только от качества измерительного прибора . В учебнике по физике для седьмого класса автором А.В. Перышкиным вводится понятие погрешности измерений (стр. 11 учебника): погрешность измерений ∆а равна половине цены деления измерительного прибора и, что при записи измеряемой величины, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой

А = а_{результат измерений} + ∆а.

    В 10 классе это понятие формулируется иначе: погрешность прямого измерения складывается из инструментальной погрешности прибора  ∆_и А и погрешности отсчета ∆_о А. Вероятно,  автор учебника 7 класса использовал так называемое правило "ничтожных погрешностей": обе составляющее погрешности прямого измерения следует учитывать лишь в том случае, если они близки друг к другу. Любым из этих слагаемых можно пренебречь, если оно не превосходит 1/3 - 1/4 от другого.

Средства измерения	Предел измерения	Цена деления	Инструментальная погрешность +
Линейка ученическая	До 30 см	1 мм	1 мм
Линейка чертежная	До 50 см	1 мм	0,2 мм
Линейка инструментальная (стальная)	До 30 см	1 мм	0,1 мм
Линейка демонстрационная	100 см	1 см	0,5 см
Лента измерительная	150 см	0,5 см	0,25 см
Измерительный цилиндр	До 250 мл	1 мл	1 мл
Штангенциркуль	150 мм	0,1 мм	0,05 мм
Микрометр	25 мм	0,01 мм	0,005 мм
Динамометр учебный	4 Н	0,1 Н	0,05 Н
Секундомер механический	0-30 мин	0,2 с	1 с за 30 мин
Секундомер электронный	100 с	0,01 с	0,01 с
Барометр-анероид	720-780 мм.рт.ст	1 мм.рт.ст.	3 мм.рт.ст.
Термометр спиртовой	0-100 оС	1 оС	1 оС
Амперметр школьный	2 А	0,1 А	0,05 А
Вольтметр школьный	6 В	0,2 В	0,1

Вычисление погрешностей. 

   Введем обозначения: A,B, .... - физические величины. A_пр - приближенное значение физической величины, т.е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений. Напомним, что абсолютной погрешностью приближенного числа называется разность между этим числом (А_{измеренное}) и его точным значением (А_{истинное}), причем ни точное значение, ни абсолютная погрешность принципиально неизвестны и подлежат оценке по результатам измерений.

∆ А = А_изм - А_ист

Относительной погрешностью (ε_а) приближенного числа (измерения физической величины) называется отношение абсолютной погрешности приближенного числа к самому этому числу.

ε_А =  ∆А /А_изм

Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей:
 ∆A = ∆_иA + ∆_иA

∆_иA - абсолютная инструментальная погрешность, определяемая конструкцией прибора (погрешность средств измерения). Находится по таблицам.
∆_иA - абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно точного отсчета показаний средств измерения), она равна в большинстве случаев половине цены деления; при измерении времени - цене деления секундомера или часов.

Вид функции	Относительная погрешность
Апр = А + В	εА   = (∆ А + ∆В)/(А + В)
Апр = А - В	εА   = (∆ А + ∆В)/(А -  В)
Апр = А В	εА  = εА  +   εВ = ∆ А/A + ∆В/B
Апр = А/В	εА  = εА  +   εВ = ∆ А/A + ∆В/B
Апр = Аn	εА  = εА n = n ∆ А/A
Апр = A 1/n	εА   = εА 1/n = ∆ А/nA
Апр = 1/A + 1/B	εА  = (∆А/A2 + ∆В/B2)/(1/A + 1/B)
Апр = 1/A -  1/B	εА  = (∆А/A2 + ∆В/B2)/(1/A -  1/B)
Апр = sin A	εА   = ∆А ctg A
Апр = cos A	εА   = ∆А tg A
Апр = tg A	εА   = 2∆А/sin2A

   Абсолютную погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры (∆A ~ 0.18 = 0.20). Численное значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А ~ 12,323 = 12.30).

Формулы расчета относительных погрешностей для различных случаев приведены в таблице. 

   Как пользоваться этой таблицей?

   Пусть, например, физическая величина ρ рассчитывается по формуле:

ρ = m/V. Значения m  и V найдены прямыми измерениями во время проведения лабораторной работы. Их абсолютные погрешности соответственно равны ∆m = ∆иm  + ∆оm и ∆V = ∆иV  + ∆оV. GjПодставляя полученные значения ∆m и ∆V, m  и V в формулу, получим приближенное значение ∆ρ = ∆m/∆V. Подставив аналогично m  и V в формулу, получим значение ρ_пр. Далее следует рассчитать относительную погрешность результата ε_ρ. Это можно сделать, воспользовавшись соответствующей формулой из четвертой строки таблицы.   ε_ρ  = ε_m + ε_V = ∆m/m + ∆V/V

Поскольку из-за наличия случайных погрешностей результаты измерений по своей природе представляют собой тоже случайные величины, истинного значения ρ_ист измеряемой величины указать нельзя. Однако можно установить некоторый интервал значений измеряемой величины вблизи полученного в результате измерений значения ρ _пр, в котором с определенной вероятностью содержится ρ_ист.                 ρ_пр -  ∆ρ  ≤ ρ_ист  ≤  ρ_пр + ∆ρ.

Тогда окончательный результат измерений плотности можно записать в следующем виде:      

ρ_ист  =  ρ_пр  ± ∆ρ

Задача наилучшей оценки значения ρ_ист и определения пределов интервала по результатам измерений является предметом математической статистики. Но это отдельный разговор…