вращательного движения

МЕХАНИКА.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Вопросы для защиты лабораторных работ по физике

 

 

Новосибирск

УДК 531.2(076.5)

М 55

 

 

Составители: А.В. Баранов, В.В. Давыдков,

А.М. Погорельский, В.В. Христофоров

 

Рецензент: Сивых Г.Ф.

 

 

Работа подготовлена на кафедре общей физики

 

©Новосибирский государственный

технический университет, 2005

 

 

Учебно-методические указания предназначены для студентов, выполняющих лабораторный практикум по курсу общей физики на кафедре общей физики НГТУ.

Они содержат вопросы, которые могут быть заданы студентам во время защиты лабораторных работ по механике и электростатике.

Особенность данной работы состоит в том, что вопросы для защиты лабораторных работ разделены по уровню сложности на три группы.

Вопросы первого уровня сложности требуют от студента знания определений физических величин и формулировок физических законов.

Для успешной защиты лабораторной работы на первом уровне студент должен правильно ответить на три указанных преподавателем вопроса этого уровня. Максимальный балл, который преподаватель может начислить студенту за защиту на первом уровне, соответствует оценке «удовлетворительно».

Вопросы второго уровня требуют от студента знания сути физического эксперимента и методики математической обработки результатов эксперимента, выполняемого в данной лабораторной работе.

Для успешной защиты лабораторной работы на этом уровне студент должен правильно ответить на один вопрос из второй группы вопросов и на несколько вопросов из первой группы. Максимальный балл, который преподаватель может начислить студенту за защиту на втором уровне, соответствует оценке «хорошо».

Вопросы третьего уровня сложности требуют от студента знания теоретических основ проводимого физического эксперимента и умения использовать теорию для математического описания эксперимента и других физических задач, подобных тем, которые решались в ходе учебного эксперимента.

Для успешной защиты лабораторной работы на третьем уровне студент должен правильно ответить на один вопрос из третьей группы вопросов, при этом он должен уметь сформулировать определения физических величин, используемых при ответе на вопрос. Максимальный балл, который преподаватель может начислить студенту за защиту на третьем уровне, соответствует оценке «отлично».

Уровень сложности и, соответственно, максимальный балл, который может быть начислен студенту за защиту, выбирается студентом.

Реальный балл, начисляемый студенту за защиту лабораторной работы, определяется преподавателем по итогам защиты работы.

Разработчики данных указаний рассчитывают на то, что предлагаемая методика защиты лабораторных работ по курсу общей физики, будет способствовать повышению объективности оценки качества знаний студентов и усилению мотивации студентов на достижение более высокого уровня знания курса общей физики.

 

Вопросы для защиты темы

 

«Измерение физических величин»

 

Вопросы первого уровня

 

1. Что понимается под измерением?

2. Что представляют собой прямые и косвенные измерения?

3. Что представляют собой и чем обусловлены систематические погрешности?

4. Что представляют собой и чем обусловлены случайные погрешности?

5. Как результаты многократных измерений представляются с помощью гистограммы?

6. Какой смысл имеет генеральное среднее для распределения Гаусса?

7. Какой смысл имеет генеральное отклонение для распределения Гаусса?

8. Дайте определение среднеквадратичного отклонения.

9. Дайте определение доверительной вероятности измерения.

10. Дайте определение доверительного интервала измерения.

11. Что такое конечная выборка? Как определяются среднее значение и среднеквадратичное отклонение для конечной выборки?

12. Как пользоваться таблицей коэффициентов Стьюдента?

13. В какой форме представляются результаты многократных измерений?

14. Дайте определение доверительной погрешности измерения.

15. Каков смысл приборной погрешности? Как она определяется?

16. В какой форме представляются результаты однократных измерений?

17. Какая величина используется в качестве погрешности для представления результатов прямого однократного измерения?

18. Каковы правила округления значений величин при записи результатов измерений?

19. Каковы правила построения графиков?

 

Вопросы второго уровня

 

1. Почему нормальное распределение Гаусса называют предельным?

2. Почему нельзя в реальном эксперименте получить распределение Гаусса?

3. Какой смысл имеет условие нормировки для распределения Гаусса?

4. Как по распределению Гаусса определить долю измерений, приходящихся на интересующий интервал значений?

5. Покажите, что максимум распределения Гаусса приходится на генеральное среднее.

6. Как определить среднее значение величины по распределению Гаусса?

7. Почему многократные измерения одной и той же величины могут давать разные результаты?

8. Почему любые измерения сопровождаются погрешностями? Приведите примеры.

9. Как определяется доверительная погрешность для конечной выборки?

10. Как определяется погрешность в случае косвенного однократного измерения?

 

Вопросы третьего уровня

 

1. Площадь прямоугольника рассчитывается по формуле S = ab. Стороны a и b измерены линейкой с ценой деления, равной δ. Получите выражение для расчета погрешности косвенного измерения S.

2. Сила, действующая на тело, рассчитывается по формуле
F = ma, где m – масса тела, измеренная с погрешностью δm, a – ускорение тела, измеренное с погрешностью δa. Получите выражение для расчета погрешности косвенного измерения F.

3. Потенциальная энергия тела рассчитывается по формуле
E = mgh, где m – масса тела, измеренная с погрешностью δm, g – ускорение свободного падения, измеренное с погрешностью δg, h – высота, на которой находится тело, измеренная с погрешностью δh. Получите выражение для расчета погрешности косвенного измере-
ния E.

4. Кинетическая энергия тела рассчитывается по формуле
E = mv²/2, где m – масса тела, измеренная с погрешностью δm, v – скорость тела, измеренная с погрешностью δv. Получите выражение для расчета погрешности косвенного измерения E.

5. Скорость тела рассчитывается по формуле v = S/t. Путь S = 5 м измерен рулеткой с ценой деления 1 см. Время t = 2сизмерено секундомером с ценой деления 0.1 с. Запишите результат косвенного измерения скорости.

6. Ускорение тела рассчитывается по формуле a = 2S/t². Путь
S = 10 м измерен рулеткой с ценой деления 1 см. Время t = 2 с измерено секундомером с ценой деления 0.1 с. Запишите результат косвенного измерения ускорения.

7. Время свободного падения тела рассчитывается по формуле
t = (2S/g)^1/2. Высота падения S = 10 м измерена рулеткой с ценой деления 1 см. Ускорение g = 10 м/с² определено с погрешностью 0.1 м/с². Запишите результат косвенного измерения времени.

8. Плотность вещества рассчитывается по формуле ρ = m/V. Масса m = 1 кг измерена с погрешностью 10 г. Объем тела V = 200 см³ измерен с погрешностью 1 см³. Запишите результат косвенного измерения плотности.

9. Высота здания рассчитывается по формуле h = S tg φ. Расстояние до здания S = 100 м измерено с погрешностью 0.1 м. Угол, под которым видна вершина здания φ = 60˚, измерен с погрешностью 5˚. Запишите результат косвенного измерения высоты здания.

10. Масса куба рассчитывается по формуле M = ρa³. Плотность вещества куба ρ = 4 г/см³ определена с погрешностью 0.1 г/см³. Сторона куба a = 1 м определена с погрешностью 1 см. Запишите результат косвенного измерения массы куба.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы № 1

 

Вопросы первого уровня

 

1. Что такое система отсчета? Приведите примеры.

2. Что такое материальная точка? Что такое твердое тело? Приведите примеры.

3. Как определяют положение материальной точки в трех способах описания движения тел?

4. Как определяют изменение положения материальной точки в трех способах описания движения тел?

5. Дайте определение мгновенной скорости. Как направлен вектор скорости?

6. Как по графику зависимости координаты от времени найти значение средней скорости; мгновенной скорости?

7. Дайте определение мгновенного ускорения. Как направлен вектор ускорения?

8. Раскройте физический смысл всех кинематических характеристик поступательного движения.

9. Раскройте физический смысл массы, силы, импульса.

10. Сформулируйте первый закон Ньютона. Объясните, какие системы отсчета называют инерциальными.

11. Сформулируйте второй закон Ньютона.

12. Сформулируйте третий закон Ньютона.

13. Сформулируйте закон сохранения импульса для системы тел.

14. Какие силы называют внутренними, а какие внешними? Приведите примеры.

15. Сформулируйте закон сохранения механической энергии для системы тел.

16. Какие системы тел называют замкнутыми? Приведите примеры.

17. Какие силы называют консервативными? Приведите примеры.

18. Какой вид взаимодействия тел называют абсолютно упругим ударом? Приведите примеры.

19. Какой вид взаимодействия тел называют абсолютно неупругим ударом? Приведите примеры.

20. Какие силы называют диссипативными? Приведите примеры.

Вопросы второго уровня

 

1. На каком этапе эксперимента выполняется закон сохранения импульса? Ответ обоснуйте.

2. На каком этапе эксперимента выполняется закон сохранения механической энергии? Ответ обоснуйте.

3. Как зависит скорость пули от коэффициента жесткости пружины пистолета? Ответ обоснуйте.

4. Почему длина подвеса должна быть намного больше смещения груза после попадания в него пули? Ответ обоснуйте.

5. Как смещение маятника зависит от скорости пули? Ответ обоснуйте.

6. Как смещение маятника зависит от массы пули? Ответ обоснуйте.

7. Как смещение маятника зависит от длины подвеса? Ответ обоснуйте.

8. Почему график строится в координатах v; ? Ответ обоснуйте.

 

Вопросы третьего уровня

 

1. Как рассчитать долю кинетической энергии пули, израсходованной на деформацию пластилина?

2. Как рассчитать высоту подъема маятника?

3. Получите рабочую формулу для расчета скорости пули.

4. Получите зависимость высоты подъема маятника от скорости пули.

5. Запишите и обоснуйте систему уравнений на основе законов сохранения для упругого удара двух тел.

 

Вопросы для защиты лабораторных работ по динамике

вращательного движения

 

Вопросы первого уровня

 

1. Дайте определение понятию «вращательное движение».

2. Дайте определение угловой координаты.

3. Дайте определение вектора углового перемещения. Укажите его направление.

4. Дайте определение вектора угловой скорости. Укажите его направление.

5. Дайте определение вектора углового ускорения. Укажите его направление.

6. Дайте определение момента инерции.

7. Дайте определение вектора момента импульса относительно точки, момента импульса относительно оси. Укажите направление вектора момента импульса.

8. Дайте определение вектора момента силы относительно точки, момента силы относительно оси; укажите направление вектора момента силы.

9. Как рассчитывают работу при вращательном движении?

10. Как рассчитывают кинетическую энергию тела, вращающегося вокруг неподвижной оси?

11. Сформулируйте теорему Штейнера.

12. Сформулируйте основной закон динамики вращательного движения.

13. Сформулируйте закон сохранения момента импульса для системы тел.

 

 

Вопросы второго уровня

 

1. Получите рабочую формулу для расчета момента инерции в лаб. работе № 3.

2. Опишите методику экспериментального определения момента силы сопротивления в лаб. работе № 3.

3. Получите формулу для расчета погрешности косвенных измерений момента инерции маятника Обербека.

4. Объясните, как можно изменить момент инерции маятника Обербека; ответ обосновать.

5. Получите формулу для расчета модуля вектора момента тормозящей силы в лаб. работе № 4.

6. Получите формулу для расчета момента инерции шкива со спицами в лаб. работе № 4.

7. Получите формулу для расчета погрешности измерений момента инерции в лаб. работе № 4.

8. Опишите устройство установки для лаб. работы № 5 и получите формулу для расчета момента инерции маятника.

9. Получите формулу для расчета погрешности косвенных измерений момента инерции маятника.

 

Вопросы третьего уровня

 

1. Покажите связь момента импульса и момента силы для материальной точки и системы тел.

2. Докажите закон сохранения момента импульса для системы тел.

3. Рассчитайте момент инерции тела, форма и ось вращения которого заданы преподавателем.

4. Покажите аналогию между характеристиками поступательного и вращательного движений; объясните, в чем заключается аналогия характеристик.

5. Покажите, как найти сумму нескольких моментов сил.

6. Докажите, что момент пары сил не зависит от выбора точки отсчета.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы № 10

 

Вопросы первого уровня

 

1. Опишите основные свойства электрического заряда.

2. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.

3. Сформулируйте закон Кулона.

4. Сформулируйте принцип суперпозиции применительно к кулоновской силе.

5. Дайте определение вектора напряженности электрического поля .

6. Сформулируйте принцип суперпозиции для напряженности электрического поля .

7. Дайте определение потенциала электрического поля .

8. Сформулируйте принцип суперпозиции для потенциала электрического поля .

9. Что такое силовые линии и эквипотенциальные поверхности электрического поля? Под каким углом они пересекаются?

10. Какие вещества называются проводниками, а какие – диэлектриками?

11. Какие диэлектрики называют полярными, какие – неполярными?

12. Что такое поляризация диэлектрика?

13. Какие заряды называются связанными, какие – свободными?

14. Дайте определение вектора поляризованности . Какова его связь с напряженностью электрического поля в диэлектрике?

15. Почему напряженность электрического поля в диэлектрике и в вакууме различна? Ответ обоснуйте.

16. Дайте определение диэлектрической восприимчивости и диэлектрической проницаемости.

17. Дайте определение вектора электрического смещения .

 

Вопросы второго уровня

 

1. Объясните, как в процессе эксперимента находятся точки с одинаковым значением потенциала и как изображаются эквипотенциальные линии.

2. Как в процессе опыта определить величину потенциала для данной эквипотенциальной линии? Потенциал какого тела при этом считается равным нулю?

3. Почему картину эквипотенциальных линий следует строить так, чтобы разность потенциалов между двумя любыми соседними эквипотенциальными линиями была одинаковой?

4. Как, используя картину эквипотенциальных линий, построить соответствующую картину силовых линий электрического поля?

5. Где начинаются силовые линии электростатического поля и где они заканчиваются?

6. Под каким углом к поверхности проводника изображается силовая линия вблизи этой поверхности?

7. Как по полученной в опыте картине эквипотенциальных линий определить направление и численное значение вектора напряженности электрического поля ?

8. Как влияет на картину эквипотенциальных и силовых линий электрического поля проводник, помещенный в это поле?

9. Как влияет на проводник электрическое поле, в которое он помещен? Появляется ли у проводника, помещенного в электрическое поле, избыточный заряд?

10. Чему равна напряженность электрического поля внутри проводника при равновесном распределении зарядов этого проводника? Ответ обоснуйте.

11. Чему равна разность потенциалов электрического поля между любыми точками проводника при равновесном распределении зарядов этого проводника? Ответ обоснуйте.

12. Зачем в теорию диэлектриков введен вектор электрического смещения? В чем заключается разница между и ?

Вопросы третьего уровня

 

1. Дать формулировку и провести доказательство теоремы Гаусса для вектора напряженности электрического поля в вакууме.

2. Привести пример применения теоремы Гаусса для определения , созданного заряженной плоскостью, цилиндром, шаром или сферой (по указанию преподавателя).

3. Получите формулу для расчета потенциала электрического поля , созданного уединенным точечным зарядом q на расстоянии r от него.

4. Получите связь проекции вектора напряженности электрического поля E_l на некоторое направление и потенциала этого поля .

5. Получите связь между вектором напряженности электрического поля и потенциалом этого поля .

6. Получите формулу для работы электростатического поля A над зарядом q при его перемещении из точки с потенциалом в точку с потенциалом .

7. Докажите, что силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом.

8. Докажите, что силовые линии выходят из заряженного проводника и входят в заряженный проводник перпендикулярно к его поверхности.

9. Получите формулу для расчета потенциала электрического поля, созданного точечным электрическим диполем в вакууме.

10. Получите формулу для расчета напряженности электрического поля, созданного точечным электрическим диполем в вакууме.

11. С помощью теоремы Гаусса докажите, что избыточный заряд проводника может находиться только в очень тонком поверхностном слое этого проводника.

12. Получите формулу для расчета напряженности электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника.

13. Докажите, что напряженность электрического поля внутри однородного диэлектрика отличается от поля в вакууме в раз. Здесь
– диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

14. Докажите, что при переходе через границу двух диэлектриков не изменяются как тангенциальная проекция вектора напряженности электрического поля , так и нормальная проекция вектора электрического смещения D_n.

15. Получите закон преломления линий векторов напряженности электрического поля и электрического смещения на границе двух диэлектриков с проницаемостями и .