I Рабочая программа дисциплины «Измерительный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Кафедра общей физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФЕН,
проф. _______________В. А. Резников
«_29_»_августа_ 2012 г.
Измерительный практикум
Учебно-методический комплекс
Факультет естественных наук
Направление подготовки
020201.65 ― Биология (специалист)
Форма обучения
Очная
Новосибирск 2012
Учебно-методический комплекс «Измерительный практикум» предназначен для
студентов третьего курса Факультета естественных наук, направление подготовки 020201
«Биология (специалист)». В состав комплекса включены: программа курса, банк обучающих
материалов и банк контролирующих материалов.
Составили:
докт. физ.-мат. наук, проф. А. Д. Косинов
Учебно-методический комплекс
@ Новосибирский государственный университет, 2012
@ Косинов А.Д. 2012
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Кафедра общей физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФЕН,
проф. _______________В. А. Резников
«_____»________2012
Измерительный практикум
Рабочая программа дисциплины
Факультет естественных наук
Направление подготовки
020201.65 ― Биология (специалист)
Форма обучения
Очная
Новосибирск 2012
3
Программа дисциплины разработана в 2012 году в соответствии с ФГОС ВПО по
направлению подготовки 020201.65 Биология (специалист).
Составил:
докт. физ.-мат. наук, проф. А. Д. Косинов
Рабочая программа дисциплины
@ Новосибирский государственный университет, 2014
@ Косинов А.Д. 2014
4
Содержание
1. Цели освоения дисциплины
2. Место дисциплины в структуре ООП
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате дисциплины
4. Структура и содержание дисциплины
5. Образовательные технологии
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
7. Фонд оценочных средств для проведения аттестации по итогам освоения дисциплины:
показатели, критерии оценивания компетенций, типовые вопросы для подготовки к зачету,
примеры экспериментальных задач и их решение
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
5
6
6
7
8
8
10
10
10
10
I Рабочая программа дисциплины «Измерительный практикум»
Аннотация
Программа курса «Измерительный практикум» составлена в соответствии с
требованиями ФГОС ВО и ООП ВПО НГУ по направлению 020201 «Биология» (специалист),
а также задачами, стоящими перед Новосибирским государственным университетом по
реализации Программы развития НГУ.
Дисциплина реализуется кафедрой общей физики физического факультета
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования Новосибирский национальный исследовательский
государственный университет (НГУ). Дисциплина изучается студентами третьего курса
биологического отделения факультета естественных наук в пятом семестре и относится к
региональной составляющей цикла общих математических и естественно-научных
дисциплин (ЕН.Р.2) ООП по направлению подготовки «020201 «Биология» (специалист).
Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля:
Текущий контроль - контроль выполнения лабораторных работ
Промежуточная аттестация по дисциплине: – зачет
Общая трудоемкость программы составляет 24 часа, из них контактная работа
(лабораторные работы) составляет 16 часов, самостоятельная работа обучающегося 8 часов.
1. Цели освоения дисциплины
Целью «Измерительного практикума» является обучение студентов факультета
естественных наук в пятом семестре третьего курса основам методов измерений и
практической работы с измерительными приборами, подготовка студентов к работе в
специализированных практикумах факультета естественных наук НГУ. Кроме этого,
студенты обучаются основам методики проведения измерений в научных исследованиях и
методике оценки погрешности измерений в процессе выполнения лабораторных работ. В
Измерительном практикуме осуществляется обучение основам измерений электрических и не
электрических величин. В ходе прохождения практикума студенты обучаются работе с
цифровыми осциллографами и вольтметрами, приобретают опыт работы с датчиками
температуры, потенциометрами, с источником радиоактивности, осваивают методы
статистической обработки результатов измерений.
Дисциплина «Измерительный практикум» сохраняет актуальность и является сегодня
необходимым и достаточным циклом занятий для изучения классических методов измерений
физических величин и современных научных приборов, используемых в экспериментальной
физике при подготовке профессионала биолога-исследователя.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Измерительный практикум» относится к региональной составляющей
цикла общих математических и естественно-научных дисциплин (ЕН.Р.2) ООП по
направлению подготовки «020201 «Биология» (специалист).
Дисциплина «Измерительный практикум» опирается на следующие дисциплины
данной ООП:
 Математический анализ;
 Физика;
 Физическая химия;
 Аналитическая химия
6
Результаты освоения дисциплины «Измерительный практикум» используются в
следующих дисциплинах данной ООП:
 Физика;
 Научно-исследовательская практика.
Данный практикум предваряет работу в специализированных лабораториях
университета и институтов СО РАН. Задачей практикума является подготовка студентов к
работе в этих лабораториях. Дисциплина совершенствуется и автоматизируется по мере
обновления приборного парка лаборатории и появления новых задач. Содержание тем
лабораторных работ соответствует теоретическому курсу «Физика».
3. В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
 освоить базовые методы измерений физических величин, научиться оценивать
основные погрешности результатов измерений при выполнении лабораторных работ
 ознакомиться с современными физическими приборами и оборудованием, их
физическими характеристиками и принципами работы, научиться планировать ход
выполнения измерений.
 уметь применять современные приборы для измерения различных электрических и не
электрических величин, а так же знать возможное влияние этих приборов на истинные
значения измеряемых величин. Знать особенности измерения и обработки результатов
для случайных величин.
 иметь навыки применения на практике профессиональных знаний теории и методов
физических исследований на современном научном оборудовании.
7
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость программы составляет 24 часа, из них контактная работа
(лабораторные работы) составляет 16 часов, самостоятельная работа обучающегося 8 часов.
Структура и содержание дисциплины «Измерительный практикум»
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Техника безопасности,
вводный инструктаж и
введение в практикум
Измерение случайных
величин
Индивидуальная работа с
преподавателем. Сдача
лабораторных работ.
Методы и приборы для
измерения напряжения и
тока
Индивидуальная работа с
преподавателем. Сдача
лабораторных работ.
Изучение электроннолучевого и цифрового
осциллографа.
Индивидуальная работа с
преподавателем. Сдача
лабораторных работ.
Компенсационные методы
измерений и датчики
Индивидуальная работа с
преподавателем. Сдача
лабораторных работ. Зачет
Итого
1
1
1
1
1-2
2
1
1-2
1
1
3-5
2
1
3-5
2
1
6-7
2
1
6-7
2
1
8-9
2
1
8-9
2
16
Самостоятельная
работа
Лабораторн
ые работы
Семинары
Лекции
Раздел дисциплины
Неделя
№
п/п
Семестр
Виды учебной работы,
включая самостоятельную работу
студентов и трудоемкость (в часах)
2
2
2
2
8
Содержание дисциплины:
В практикуме организовано 4 лабораторных работы, из которых обучающийся должен
выполнить 3 работы по назначению преподавателя. Работы должны охватывать все разделы
дисциплины.
Ниже приведены аннотации лабораторных работ по разделам.
Измерение случайных величин
Лабораторная работа 1.1. Статистические закономерности, возникающие при
измерениях.
8
Цель работы: Определение закона распределения потока -частиц при радиоактивном
распаде. Проверка статистических гипотез. Ознакомление со статистическими методами
обработки результатов измерений. Практическая работа со счетчиками ионизирующих
излучений.
Методы и приборы для измерения напряжения и тока
Лабораторная работа 2.1. Электроизмерительные приборы и источники питания
постоянного тока.
Цель работы: Ознакомление с принципом действия электроизмерительных приборов
разного типа и приобретение навыков измерения напряжений и токов. Определение
внутреннего сопротивления вольтметров, амперметров и источников питания. Изучение
режимы работы источников питания постоянного тока.
Лабораторная работа 2.2. Основы измерений в цепях переменного тока.
Цель работы: Ознакомление с основами измерений в цепях переменного тока.
Использование цифровых измерительных приборов при измерении периодических сигналов
различной формы. Знакомство с принципами согласования источника электрического
сигнала с регистратором.
Изучение электронно-лучевого и цифрового осциллографа
Лабораторная работа 3.1. Измерения с помощью цифровых запоминающих
осциллографов.
Цель работы: Обучение навыкам роботы с цифровыми осциллографами.
Лабораторная работа 3.2.
Измерения с помощью электронно-лучевого
осциллографа.
Цель работы: Ознакомление с принципом действия электронно-лучевых
осциллографов, изучение их характеристик и приобретение навыков работы с ними.
Компенсационные методы измерений и датчики
Лабораторная работа 4. Компенсационные методы измерений.
Цель работы: Изучение принципов работы потенциометра. Знакомство с датчиками
температуры и работа с ними.
Лабораторная работа 9. Методы измерения температуры.
Цель работы: Знакомство с методами измерения температуры. Изучаются
современные методы измерения температуры, производятся калибровки термопар,
определяется температурный коэффициент терморезисторов, измеряется температура
различных объектов контактным и бесконтактным методами.
5. Образовательные технологии
Лабораторные работы практикума выполняются студентами самостоятельно (под
наблюдением преподавателя), после ознакомления с методическими описаниями
лабораторной работы, после инструкций преподавателя.
Лабораторные работы сдаются по мере их выполнения последовательно, в связи с
этим, в учебной программе дисциплины предусмотрено время для самостоятельной работы
обучающегося: на подготовку и оформление экспериментальных данных по проделанной
работе, и время на индивидуальную работу преподавателя. При приеме лабораторной работы
преподавателем выясняется понимание у обучающегося поставленной перед ним задачи, а
также как он решает эту задачу, как оценивает и представляет полученные им результаты.
При выставлении оценок по результатам выполнения учебной программы следует
придерживаться следующих правил:
Зачет выставляется, если по результатам выполнения 3 лабораторных работ,
оцениваемых по десятибальной шкале, обучающийся суммарно набрал не менее 24 баллов.
9
Если этот показатель не достигнут, то обучающемуся предлагается выполнить еще одну
работу.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Основная литература для самостоятельной работы студентов поддерживается
следующими учебными пособиями, которые имеется в библиотеке НГУ в достаточном
количестве:
Для самостоятельной работы студентов на сайте кафедры общей физики представлены
описания лабораторных работ с кратким изложением теории изучаемого явления, задания,
рекомендации к выполнению поставленных задач, контрольные вопросы для
самоподготовки.
http://www.phys.nsu.ru/measuring/Labworks.html
Система контроля включает текущий (по ходу семестра) контроль выполнения
лабораторных работ, а также промежуточную аттестацию: – зачет.
7. Фонд оценочных средств для проведения аттестации по итогам освоения дисциплины:
показатели, критерии оценивания компетенций, типовые вопросы для подготовки к
зачету, примеры экспериментальных задач и их решение
Освоение навыков и умений оценивается по двухбалльной шкале «сформирована / не
сформирована». Положительная оценка по дисциплине выставляется в том случае, если
заявленные дисциплиной навыки и умения усвоены обучающимися в полной мере.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
Все лабораторные работы имеют методические пособия, выпущенные в НГУ, которые
имеются в библиотеке НГУ в достаточном количестве.
Для самостоятельной работы студентов на сайте кафедры общей физики представлены
описания лабораторных работ с кратким изложением теории изучаемого явления, задания,
рекомендации к выполнению поставленных задач, контрольные вопросы для
самоподготовки. При сдаче лабораторную работу необходимо представить в виде отчета в
произвольной форме.
http://www.phys.nsu.ru/measuring/Labworks.html
Список основной литературы:
1. Методы физических измерений / Под ред. Р.И.Солоухина. Новосибирск, 1975г.
2. Кихтенко В.Н., Костюрина А.Г, Смирных Л.Н., Дорошкин А.А. Сборник
лабораторных работ для студентов нефизических специальностей. Новосибирск; Изд-во
НГУ, 2001. 141 с.
Список дополнительной литературы.
1. Описания лабораторных работ по
Новосибирск. НГУ, 1999.
2. Описания лабораторных работ по
Новосибирск. НГУ, 1999.
физике.
Измерительный
практикум.
Ч 1.
физике.
Измерительный
практикум.
Ч 2.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Большинство из 4 лабораторных работ имеют по 4 рабочих места. Всего для
проведения лабораторных работ по курсу “Измерительный практикум” используются 23
10
лабораторных установки. В их состав входят: 8 цифровых осциллографов, 4 электроннолучевых осциллографа, 14 генераторов, 20 цифровых мультиметров, 12 стабилизированных
источников питания, 8 аналоговых вольтметров, 3 установки для работы с альфа
источниками, 2 установки для калибровки термопар с АЦП National Instruments, а так же
аппаратура, изготовленная в институтах СО РАН и в Новосибирском государственном
университете. Две лабораторные работы компьютеризированы.
Все лабораторные работы соответствуют требованиям техники безопасности.
Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры общей физики ФФ
«22» августа 2012 года
Разработчики:
докт. физ.-мат. наук, проф.
А. Д. Косинов
Заведующий кафедрой общей физики ФФ НГУ
д.ф.-м.н., проф.
А. Г. Погосов
11
II. Банк обучающих материалов, рекомендации по организации
самостоятельной работы студентов, выполнению курсовых проектов
и лабораторных работ
На сайте кафедры общей физики представлены описания лабораторных работ с кратким
изложением теории изучаемого явления, задания, рекомендации к выполнению поставленных
задач, контрольные вопросы для самоподготовки.
http://www.phys.nsu.ru/measuring/Labworks.html
III. Банк контролирующих материалов
Контрольные вопросы и задания к лабораторным работам по Измерительному
практикуму и содержание отчетов.
Лабораторная работа 1.1. Статистические закономерности, возникающие при
измерениях.
Содержание отчета
Отчет должен содержать цель работы, экспериментальные данные и результаты обработки.
Расчетные формулы и описание выполнения эксперимента по всем заданиям.
Контрольные вопросы
1. Как оценить среднеквадратическое отклонение Sx по рисунку гистограммы (на какой
высоте и т. п.)?
2. Чему равно среднеквадратическое отклонение, если функция распределения имеет вид
столика шириной а?
3. Оценить максимальное значение среднеквадратическое отклонения, если гистограмма
состоит из одного бина шириной а, содержащего 100 событий.
4. Радиоактивный источник с большим запасом атомов 239Рu имеет среднюю активность 1
распад в 1 мсек. Какова вероятность, что в течение 1 мсек произойдет 2 распада? С какой
вероятностью распад произойдет в течение интервала 0,5 мсек?
5. Какое минимальное количество атомов 239Рu в источнике необходимо для определения
периода полураспада с точностью 1 год за время измерения 1 час?
Лабораторная работа 2.1. Электроизмерительные приборы и источники питания
постоянного тока.
Содержание отчета
Отчет должен содержать следующие экспериментальные данные и результаты обработки.
Задание 1. Таблицу с экспериментальными данными измерения напряжения различными
вольтметрами с указанием погрешности измерения. Указать причину различия показаний
вольтметров. Сформулировать требование к вольтметру.
Задание 2. Таблицу со значениями токов, измеренных на различных пределах амперметра с
указанием погрешности измерения, и сравнение их с расчётными. Сформулировать
требование к амперметру.
Задание 4. Таблицу экспериментальных данных и значения ЭДС и сопротивления источника.
Задание 5. Таблицу экспериментальных данных, графики зависимостей тока, напряжения,
мощности от сопротивления нагрузки, а также величину сопротивления нагрузки,
соответствующую смене режима стабилизации.
Контрольные вопросы
1. Какие требования предъявляются к вольтметрам при измерении напряжения?
12
2. Какие требования предъявляются к амперметрам при измерении силы тока?
3. Как определить внутреннее сопротивление источника?
Лабораторная работа 2.2. Основы измерений в цепях переменного тока.
Содержание отчета
Отчет должен содержать следующие экспериментальные данные и обработки. Расчетные
формулы и схемы выполнения эксперимента по всем заданиям.
Задание 1. Таблицу экспериментальных данных, графики амплитудно-частотной зависимости
обоих мультиметров, интервал рабочих частот каждого из них и сравнение
экспериментальных данных с паспортными.
Задание 2. Измеренные вольтметром значения напряжения для сигналов различной формы,
сравнение с показаниями осциллографа и расчет коэффициентов амплитуды.
Задание 3. Измеренные вольтметром значения напряжения для сигналов сложной формы,
сравнение с показаниями осциллографа и расчет коэффициентов формы.
Задание 4. Таблицу экспериментальных данных, графики зависимостей: а) тока от
напряжения; б) мощности от сопротивления; величину сопротивления генератора.
Контрольные вопросы
1. Какие требования предъявляются к вольтметрам при измерении переменного напряжения,
тока?
2. Как определить внутреннее сопротивление генератора переменного тока?
3. Что такое режим согласованной нагрузки?
Лабораторная работа 3.1. Измерения с помощью цифровых запоминающих
осциллографов.
Содержание отчета
Отчет должен содержать экспериментальные данные и результаты обработки. Описать цель и
ход выполнения измерений по всем заданиям.
Задание 1. Освоение основных режимов работы осциллографа. Работа в режиме
″Автоустановка″. Курсорные измерения. Работа в режиме экрана ″XY″.
Задание 2. Закрытый и открытый вход. Работа с закрытым и открытым входом.
Работа в режиме Window (Окно).
Задание 3. Измерения в режиме одиночного запуска. Измерение параметров затухающих
колебаний механической системы. Измерение амплитудных и временных параметров
разогрева нити накаливания.
Контрольные вопросы
1. Какие режимы работы осциллографа используются в работе?
2. Как определить погрешность измерения цифровым осциллографом?
3. Что такое закрытый и открытый вход?
Лабораторная работа 3.2. Измерения с помощью электронно-лучевого осциллографа.
Содержание отчета
Отчет должен содержать экспериментальные данные и результаты обработки. Описать цель и
ход выполнения измерений по всем заданиям.
Задание 1. Освоение основных функций осциллографа.
Задание 2. Знакомство с генератором Г6-28 и GFG-8255.
Задание 4. Измерение времени распространения сигнала в длинной линии.
Контрольные вопросы
1. Какие режимы работы осциллографа используются в работе?
2. Как определить погрешность измерения электронно-лучевым осциллографом?
3. Что такое длинная линия?
13
Лабораторная работа 4. Компенсационные методы измерений.
Работа 4.1
Содержание отчета
Отчет должен содержать экспериментальные данные и результаты обработки. Описать цель и
ход выполнения измерений по всем заданиям.
Потенциометр.
Задание 1.Измерение температуры термопарой
Задание 2.Работа с автоматизированной системой измерения ЭДС термопары.
Контрольные вопросы
1. Как увеличить диапазон измерений потенциометром в два раза?
2. Оцените, с какой точностью (относительной) необходимо подбирать сопротивления
делителя напряжения потенциометра класса 0,01?
3. Какую температуру измеряет контактный датчик температуры (термометр сопротивления,
термопара, ртутный термометр и т. д.)?
Лабораторная работа 9. Методы измерения температуры.
Содержание отчета
Отчет должен содержать экспериментальные данные и результаты обработки. Описать цель и
ход выполнения измерений по всем заданиям.
Задание 1. Регистрация зависимости ЭДС термопары от времени, её калибровка и
определение коэффициента излучения олова
Задание 2. Изучение процесса теплопередачи в аморфных телах
Контрольные вопросы
1. Что такое температура?
2. Какие методы измерения температуры используются?
3. Какие типы датчиков температуры используются в данной работе?
4. Что такое теплопередача?
5. Какие тела считаются твёрдыми?
6. В чём отличие кристаллических и аморфных тел?
7. Какой может быть ожидаемый вид зависимости температуры от времени: при нагревании,
плавлении, последующего нагревания и охлаждения кристаллического и аморфного тела?
8. При каких условиях температуру можно считать постоянной во всех точках образца при
его нагревании, плавлении, охлаждении и кристаллизации?
9. Что называют центром кристаллизации?
10. Назовите источники методических погрешностей.
УМК рассмотрен и одобрен на заседании кафедры общей физики ФФ «22» августа 2012
года
Разработчик:
докт. физ.-мат. наук, проф.
А. Д. Косинов
Заведующий кафедрой общей физики ФФ НГУ
д.ф.-м.н., проф.
А. Г. Погосов
14