рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Измерение. Погрешности измерений

Измерение. Погрешности измерений - Лабораторная Работа, раздел Образование, Введение   Л...

Введение

 

Лабораторный практикум содержит описание лабораторных работ, подготовленных в соответствии с рабочей программой, утвержденной для медицинских ВУЗов. Изложению работ предшествует вводное занятие, ­посвященное вычислению погрешностей, построению графиков и методике выполнения простейших измерений.

Для облегчения усвоения учебного материала, в практикуме к каждой лабораторной работе изложен теоретический материал в соответствии с программой курса физики для медицинских ВУЗов.

Все представленные работы составлены по единому плану и содержат элементы теории и описание установки. Кроме того, приводится порядок выполнения работы, последовательность обработки результатов экспериментальных измерений и вычислений.

Практикум позволит изучить основные законы физики, физические явления, а также закономерности, лежащие в основе процессов, протекающих в человеческом организме. Он даст возможность расширения и углубления знаний, умений и навыков для дальнейшего продолжения обучения и успешной профессиональной деятельности. Одновременно с этим он познакомит обучающихся с правилами техники безопасности в физических лабораториях, физическими основами устройств и функционирования медицинской аппаратуры. Практикум научит пользоваться физическим оборудованием и измерительной техникой, производить эксперимент и расчеты по его результатам.

Подготовленный практикум поможет студентам лечебного факультета в овладении общекультурными и профессиональными компетенциями.

В частности, следующими общекультурными компетенциями:

– способности и готовности анализировать социально-значимые проблемы и процессы, использовать на практике методы гуманитарных, естественнонаучных, медико-биологических и клинических наук в различных видах профессиональной и социальной деятельности (ОК-1);

– способностью и готовностью к логическому и аргументированному анализу, к публичной речи, ведению дискуссий и полемике, к редактированию текстов профессионального содержания, к осуществлению воспитательной и педагогической деятельности, к сотрудничеству и разрешению конфликтов, к толерантности (ОК-5);

а также следующими профессиональными компетенциями:

– способностью и готовностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, использовать для их решения соответствующих физико-химический и математический аппарат (ПК-2);

– способностью и готовностью к формированию системного подхода к анализу медицинской информации, опираясь на всеобъемлющие принципы доказательной медицины, основанной на поиске решений с использованием теоретических знаний и практических умений в целях совершенствования профессиональной деятельности (ПК-3);

– способностью и готовностью к работе с медико-технической аппаратурой, используемой в работе с пациентами, владеть компьютерной техникой, получать информацию из различных источников, работать с информацией в глобальных компьютерных сетях, применять возможности современных информационных технологий, для решения профессиональных задач (ПК-9);

– способностью, готовностью выполнять основные лечебные мероприятия при наиболее часто встречающихся заболеваниях и состояниях у взрослого населения и подростков, способных вызвать тяжелые осложнения и (или) летальный исход: заболевания нервной, эндокринной, иммунной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной, мочеполовой систем и крови, своевременно выявлять жизнеопасные нарушения (острая кровопотеря, нарушение дыхания, остановка сердца, кома, шок), использовать методики их немедленного устранения, осуществлять противошоковые мероприятия (ПК-19);

– способность и готовность давать рекомендации по выбору оптимального режима двигательной активности в зависимости от морфофункционального статуса, определять показания и противопоказания к назначению средств лечебной физкультуры, физиотерапии, рефлексотерапии, фитотерапии, гомеопатии и других средств немедикаментозной терапии, использовать основные курортные факторы при лечении взрослого населения и подростков (ПК-24);

– способностью и готовностью использовать нормативную документацию, принятую в здравоохранении (законы Российской Федерации, технические регламенты, международные и национальные стандарты, приказы, рекомендации, терминологию, международные системы единиц (СИ), действующие международные классификации), а также документацию для оценки качества и эффективности работы медицинских организаций (ПК-27);

– способностью и готовностью изучать научно-медицинскую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-31);

– способностью и готовностью к участию в освоении современных теоретических и экспериментальных методов исследования, с целью создания новых перспективных средств, в организации работ по практическому использованию и внедрению результатов исследований (ПК-32).

Диагностика формирования компетенций обучающихся в процессе изучения учебных дисциплин, междисциплинарных курсов или иных учебных модулей осуществляется посредством проведения текущего, предварительного, рубежного или итогового контроля – контролирующих мероприятий.

Последовательность проведения контролирующих мероприятий заключается в планировании, организации и проведении с последующей оценкой результатов контроля как процедуры сопоставления зафиксированных ответов обучающихся с требованиями к решению учебных задач. Проведение контроля предполагает использование контрольных измерительных материалов в соответствии с императивными, дозволительными и рекомендательными нормами, определенными технологией проведения контролирующих мероприятий.

Существует несколько методов оценки профессиональных качеств экспертов, которые делят на априорные, апостериорные и тестовые.

К априорным методам относят самооценивание, взаимное оценивание и документационный метод. Методы самооценки основаны на использовании балльных, вербально-числовых и вербальных шкал. Апостериорные методы оценки качества экспертов основаны на сравнении отклонений индивидуальных данных от результирующей групповой оценки. С помощью апостериорных методов можно оценить коньюктурность, конформизм и воспроизводимость оценок эксперта. Тестовые методы оценки экспертов основаны на тестировании с целью установления квалификации, навыков и опыта работы эксперта.

Оценка качества подготовки студентов будет включать текущий контроль, рубежный контроль и итоговый контроль.

Текущий контроль, то есть проверка усвоения учебного материала, регулярно осуществляемая на протяжении семестра, осуществляется в форме устных опросов во время практических занятий. Рубежный контроль осуществляется в виде сдачи коллоквиума. Полученные в результате этого данные служат основой для балльно-рейтинговой оценки успеваемости студента.

Итоговый контроль проводится в конце семестра в форме зачета и завершает изучение дисциплины служит для проверки результатов обучения в целом, при этом оценивается совокупность приобретенных студентом общеобразовательных и профессиональных компетенций.

Настоящий практикум является первой частью запланированного издания с общим объемом 18–20 лабораторных работ, с учетом ФГОС третьего поколения.


Практическое занятие

Измерение. Погрешности измерений

 

В естественных науках (т.е. экологии, медицине, физике, химии и других), основным способом получения информации об изучаемых процессах является экспериментальное определение численных значений исследуемых величин.

Измерением называется процесс сопоставления исследуемой величины с некоторой мерой, эталоном или их эквивалентом. Результатом измерения является число, показывающее, сколько раз в измеряемой величине укладывается (или заключается) величина, принятая за эталон или за единицу измерения.

Результат любого измерения почти всегда получается приближенным, отличается от истинного значения измеряемой величины.

То, что результат измерения всегда приближенный – факт общефилософского значения, это одно из проявлений диалектического соотношения между абсолютной истиной, т.е. точным, исчерпывающим знанием и относительными истинами, которые, неограниченно приближаясь к абсолютной истине, всегда остаются приближенными.

Количественная степень отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины характеризуется погрешностью. Погрешности при измерении вызваны многими факторами, имеющими различные причины. Сюда относятся несовершенство измерительной аппаратуры или инструментов, ограниченные возможности метода измерения и т.п. В зависимости от причин возникновения, погрешности подразделяются на инструментальные и методические.

Инструментальными являются погрешности, вызванные несовершенством приборов, неточностью их градуировки, трением в подвижным частях, износом и т. д.

Методические погрешности измерения возникают вследствие недостаточно полного использования теоретических знаний об измеряемой величине, использования упрощенных моделей процесса измерения, несовершенства метода измерения и его ограниченных возможностей.

При измерении важно уметь оценить и методическую и инструментальную погрешности, причем необходимо иметь в виду, что они весьма часто связаны между собой, поскольку выбор аппаратуры и инструмента для измерений сильно зависит от метода измерения, иногда же наоборот, наличие тех или иных приборов определяет метод измерения.

По характеру проявления инструментальные погрешности разделяют на систематические, случайные и грубые погрешности. Случайными являются погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Причины, вызывающие эти погрешности или неизвестны, или учет их влияния очень сложен. При измерениях от случайных погрешностей избавиться в принципе невозможно. Но существуют методы их оценки, основанные на теории вероятностей и математической статистике.

Систематические погрешности остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины.

Как правило, их можно выявить либо теоретически, либо путем сравнения с показаниями более точного прибора и затем учесть в результате измерения. Например, при взвешивании тел в воздухе всегда получается уменьшенное значение веса вследствие действия выталкивающей силы Архимеда.

Грубые погрешности, или промахи, это погрешности, величина которых существенно превышает ожидаемые при данных условиях погрешности.

Они возникают либо вследствие временной неисправности прибора, либо при неточном отсчитывании показаний по шкале прибора, либо при резком нарушении методики эксперимента или условий его проведения. Результат измерения, содержащего промах, при обработке данных следует отбросить.

Методика вычислений инструментальных погрешностей прямых (непосредственных) измерений

где n – число, целое или дробное, [x] – единица измерения. Погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины называется абсолютной погрешностью ∆X; численно…

Методика оценки случайных погрешностей прямых

Равноточных измерений

При обработке результатов этих измерений возникают две задачи: 1. Нахождение по результатам отдельных измерений наилучшей оценки истинного… 2. Определение погрешности полученной оценки.

Методика оценки случайных погрешностей косвенных

Измерений

(22) Для каждой из величин мы находим, как было указано выше, наиболее вероятное… Т.к. каждая из величин - случайна, случайной будет и величина Х – как функция случайных аргументов. Тогда, очевидно,…

Правила приближенных вычислений, записи

Погрешностей и результатов измерения

Например, нужно писать , а не 0,0553 или , а не 2,36.

Методика построения графиков и

Графическое определение погрешностей

Основное достоинство графиков – их наглядность. Посмотрев на график, можно сразу, одним взглядом, охватить вид полученной зависимости, получить о… При вычерчивании графика в прямоугольной системе координат необходимо… 1. Выбор бумаги. График должен выполнятся на миллиметровой или хотя бы клетчатой бумаге.

Рисунок 1. Зависимость чувствительности α весов от

Величины нагрузки P

10. Кривую, построенную по экспериментально полученным точкам для некоторой области изменения аргумента, можно затем использовать для нахождения… 11. На основании графика можно найти абсолютную погрешность в определении…  

Задачи для самостоятельного решения

, где Rr – сопротивление гальванометра 30 Ом, I – ток термопары (показания гальванометра)

Лабораторная работа №1

  Основные понятия и определения: величины, характеризующие кинематику… Цель работы: научиться работать с экспериментальной установкой, пользоваться формулами для подсчета измеряемых величин…

Краткая теория

Аналогом величин, характеризующих поступательное движение во вращательном движении вокруг неподвижной оси являются: 1) пройденный путь S - угол поворота j; 2) линейная скорость u = dS/dt - угловая скорость = dj/dt;

Рассмотрим некоторые из названных и другие величины

При изменении угловой скорости вводят понятие углового ускорения: [e] = 1 рад/с2 (1/с2). Угловое ускорение - вектор, совпадающий по направлению с угловой скоростью при ускоренном движении и противоположной…

Выполнение работы

2. Измерить расстояние R от оси вращения до центра масс груза m1. 3. Намотать нить на шкив крестовины и последнюю придерживать рукой. 4. Подвесить к нити груз массой m (100, 200 или 300 гр) и совместить нижнюю часть груза с верхней меткой на стене. …

Вычисление погрешностей

  , (16) где .

Лабораторная работа №2

по скорости звука в газе Основные понятия и определения: уравнение Клапейрона-Менделеева, первое начало термодинамики, внутренняя энергия…

Краткая теория

Теплоемкость газов

Соотношение, связывающее между собой эти величины, называется уравнением состояния газа. Для идеального газа таковым является уравнение Клапейрона -… , где m - молярная масса газа,

Теория метода

, (10) где Е – модуль упругости (Юнга). Модуль упругости Е, по определению, есть коэффициент пропорциональности между относительным удлинением тела и…

Рисунок 1. Установка, для измерения скорости звука в воздухе

 

Резонанс - это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний и колебательной системе при приближении частоты вынуждающей внешней силы к частоте какого-либо собственного колебания данной системы. В нашем случае имеем акустический резонанс, при котором колебания частиц воздуха на выходе трубы достигают максимальной амплитуды. Это произойдет в том случае, если частота звуковых колебаний мембраны (вынуждающей силы) приближается к одной из собственных частот колебаний столба воздуха в трубе между поршнем и открытым концом. Для этого необходимо, чтобы длина Ln этого воздушного столба удовлетворяла условию:

,

где l - длина волны звука в трубе, n – любое целое число (n=1, 2, 3,…).

Скорость же звука связана с его частотой n и длиной волны l соотношением:

Подбор условий для получения резонанса можно осуществить двояко:

при постоянной частоте n звука, а, следовательно, и длине звуковой волны l, можно изменять длину воздушного столба, получая ряд последовательных резонансов. При постепенном увеличении длины столба воздуха значения её при резонансе равны:

Отсюда следует, что волна изменить длину резонирующего столба воздуха на l/2, то полученный столб также будет резонировать. Действительно, наименьшая разность длин двух воздушных столбов, в которых возникает резонанс, равна:

Определив l, можно найти и l:

Зная частоту n, находим и скорость звука:

. (16)

при постоянной длине столба воздуха L1 изменяют частоту звуковых колебаний от 200 Гц и выше, определяя частоту, при которой впервые в трубе возникает резонанс. Очевидно, что в этом случае n=1 и откуда l=4L1 .Зная L1=const и найдя соответствующую частоту n, находят :

(17)

 

Порядок выполнения

1) Включить в сеть электронный осциллограф ЭО и звуковой генератор ЗГ. Поршень с телефоном поставить у открытого конца трубы. 2) Спустя 2-3 минуты установить на ЗГ частоту колебаний в пределах от 1000 Гц… 3) Подобрать напряжение на выходе генератора, чтобы на экране осциллографа наблюдались колебания достаточной…

Лабораторная работа №3

Определение коэффициента вязкости жидкости

Основные понятия и определения: понятие идеальной и реальной жидкости, коэффициент вязкости и единицы его измерения; понятия ньютоновской и неньютоновской жидкостей; гидравлическое сопротивление; число Рейнольдса, кинематическая вязкость.

Цель работы: определять коэффициент вязкости жидкостей; оценивать погрешности измерений.

 

Краткая теория

Предмет гидродинамики и реологии.

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Жидкие среды составляют большую часть организма, поэтому изучение… В гидродинамике изучаются вопросы движения несжимаемой жидкости и… Реологией называют учение о деформируемости и текучести вещества (в том числе и жидкости) и совокупность методов их…

Вязкость жидкости

В реальной жидкости все закономерности течения жидкости усложняются вследствие наличия сил внутреннего трения – вязкости. При движении жидкости по трубе скорость различных слоев будет разной (рис.1).

 

 

Рисунок 1. Слоистое, ламинарное течение вязкой жидкости по цилиндрической трубе с градиентом скорости между слоями жидкости dυ/dx

С наибольшей скоростью движутся слои в середине трубки, с наименьшей – слои, приближающиеся к стенке. Между слоями образуется градиент скорости: , где - расстояние между соседними движущимися слоями с разностью скоростей . Наличие градиента скорости обусловлено передачей количества движения от слоя к слою за счет сил трения между слоями. Согласно закону Ньютона градиент скорости пропорционален возникающим при этом силам внутреннего трения, действующим на единицу площади соприкасающихся слоев: , откуда сила внутреннего трения между слоями жидкости равна .

Коэффициент пропорциональности , называемый коэффициентом динамической вязкости (или просто вязкостью жидкости), зависит от природы и состояния жидкости и с повышением температуры обычно уменьшается.

За единицу вязкости в международной системе единиц СИ принимается 1 Па.с – это вязкость такой среды, в которой при градиенте скорости между слоями жидкости равном -1 и площадью слоя в 2, действует сила трения между этими слоями жидкости 1 Ньютон.

, . (1)

У большинства жидкостей (вода, низкомолекулярные органические соединения, расплавленные металлы и их соли и др.) коэффициент вязкости зависит только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими. У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (например, растворы полимеров) или представляющих дисперсные системы (суспензии и эмульсии), коэффициент вязкости зависит также от режима течения (давления, градиента скорости и т.д.). Такие жидкости называют неньютоновскими или структурно – вязкими. Их вязкость характеризуют так называемым условным коэффициентом вязкости, который относится к определенным условиям течения жидкости (давление, градиент скорости).

Кровь представляет суспензию форменных элементов в белковом растворе – плазме и является неньютоновской жидкостью. Кроме того, при течении крови по многим сосудам наблюдается концентрация форменных элементов в центральной части потока, где вязкость соответственно увеличивается. В ряде случаев при анализе гемодинамики считают коэффициент вязкости крови приблизительно постоянной средней величиной по всему сечению кровеносного сосуда.

Относительная вязкость крови (относительно дистиллированной воды) в норме составляет 4,2 – 6. При патологии она может снижаться, например, до 2 – 3 при анемии или повышаться до 15 – 20 при полицитемии. Относительная вязкость сыворотки крови в норме составляет 1,64 – 1,69, а при различных видах патологии обычно находится в пределах 1,5 – 2,0.

В данной лабораторной работе экспериментально изучается ряд методов определения коэффициента вязкости жидкостей.

Рассмотрим некоторые методы определения коэффициента вязкости жидкости.

 

Определение коэффициента вязкости жидкостей

Капиллярным вискозиметром

  , (2) где – объем жидкости, протекающей через капилляр за время , - радиус, а – длина капилляра, - градиент давления; и -…

Рисунок 2. Капиллярный вискозиметр

 

Определение коэффициента вязкости жидкости

С помощью медицинского вискозиметра

Метод определение вязкости жидкости с помощью медицинского вискозиметра основан на том, что согласно формуле Пуазейля объем вязкой жидкости,… и , где l – длина капилляра а и б (рис.3), тогда получим:

Определение коэффициента вязкости жидкостей методом Стокса

Преимущество этого метода по сравнению с капиллярным заключается в том, что измерения могут быть выполнены в закрытом сосуде – обстоятельство,… Стокс установил, что при не слишком быстром движении тела сферической формы в…  

Рисунок 4. Установка для определения коэффициента вязкости жидкости методом Стокса.

 

Переходя от векторной записи к алгебраической (проектируя уравнение (11) на ось ох) и учитывая направление действия сил, получим:

Fc+FA - Р= - ma . (11a)

Так как сила трения зависит от скорости (8), то устанавливается равномерное движение шарика (a=0) и уравнение (11а) принимает следующий вид:

Fc+FA - Р=0 или Р = Fc+FA . (11б)

Подставляя значения этих сил из формул (8-10) в уравнение (11б), получим:

.

Из последнего уравнения получим:

(12)

Эта формула справедлива для шариков небольшого размера, т.к. в противном случае, при движении шарика в жидкости возникают завихрения и течение жидкости становится турбулентным.

Таким образом, зная скорость установившегося движения , плотности шарика и жидкости и , а также радиус шарика r, можно по формуле (12) вычислить значение коэффициента вязкости исследуемой жидкости. Прибор для измерения состоит, например, из стеклянного цилиндрического сосуда (рис.4), наполненного исследуемой жидкостью, плотность которой известна. На стенке сосуда имеются две горизонтальные метки 1 и 2, расположенные друг от друга на расстоянии l. Диаметр 2r шарика измеряют обычно с помощью микрометра или штангенциркуля. Шарик опускают в жидкость по оси цилиндра, причем глаз наблюдателя должен быть при этом установлен против метки так, чтобы вся она сливалась в одну прямую. При прохождении шариком первой метки включают секундомер, при прохождении второй - останавливают. Считая, что к моменту прохождения верхней метки скорость установилась постоянной, получим , где t - время прохождения шарика расстояния l между метками 1 и 2. По формуле (12) вычисляется коэффициент вязкости η исследуемой жидкости.

По вышеописанному методу можно также определить размеры (радиус r) коллоидной частицы по скорости ее оседания в монодисперсной системе.

Из формулы (12) следует, что

. (13)

Этот метод играет важную роль в медицине, он дает возможность определить размеры кровяных шариков и других малых частиц по скорости их оседания. А определение скорости оседания эритроцитов (СОЭ) (иногда ее называют реакцией оседания эритроцитов – РОЭ), изменяющейся при воспалительных процессах, является одним из методов диагностики.

Порядок выполнения работы

1. Опустите на 5-7 мм нижний конец капилляра вискозиметра в сосуд с дистиллированной водой (для исключения влияния сил поверхностного натяжения). … 2. Резиновой грушей через соединительный шланг, расположенный сверху… 3. Измерьте время истечения t1 воды из резервуара между метками А и В. Повторите аналогично измерения 5 раз.…

Зависимость коэффициента вязкости дистиллированной воды от температуры

  , где: Dt1 = t g, n × st1 = 2,78 ×,

Метод измерения вязкости медицинским вискозиметром

1. Промойте капилляры спиртом, втягивая ртом воздух через наконечник, предварительно продезинфицировав его спиртом. 2. Откройте кран левого капилляра и, заполнив пипетку дистиллированной водой… 3. До отметки "0" заполните второй капилляр исследуемой жидкостью.

Контрольные вопросы

1. Особенности молекулярного строения жидкостей.

2. Понятие идеальной и реальной жидкости, коэффициент вязкости и единицы его измерения.

3. Понятия ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

4. Вывод формулы Пуазейля.

5. Гидравлическое сопротивление.

6. Распределение давления при течении жидкости по сосудам постоянного и переменного сечения.

7. Виды течения жидкости (ламинарное и турбулентное), число Рейнольдса, кинематическая вязкость.

8. Методы определения коэффициента вязкости (капиллярным медицинским вискозиметром, методом Стокса - с выводом формул).

9. Реологические свойства крови и особенности движения ее по сосудам.

Лабораторная работа №4

Определение коэффициента поверхностного

натяжения жидкости

Основные понятия и определения: коэффициента поверхностного натяжения (КПН); единицы измерения КПН; капиллярные явления; газовая эмболия, поверхностно-активные вещества.

Цель работы: определять практически КПН методом отрыва капель и методом поднятия жидкости в капилляре, вычислять погрешности измерений.

Краткая теория

       

Рисунок 1. График зависимости сил взаимодействия между молекулами в зависимости от расстояния

 

По теории Я.И.Френкеля каждая молекула жидкости некоторое время совершает колебание вокруг определенного положения равновесия. Ее движение подобно колебаниям атомов в узлах кристаллической решетки в твердом теле. Однако время, в течение которого молекула жидкости совершает колебание относительно положения равновесия, в отличие от твердых тел, невелико. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами. Для воды это расстояние приближенно равно 3×10-10 м. Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, например, с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях.

Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон. Часть «соседей» поверхностных молекул – это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Она, эта среда, может отличаться от жидкости, как природой, так и плотностью частиц. Имея же разных «соседей», молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила R, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды.

Вследствие этого, перемещение молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости или вглубь среды, с которой она граничит, сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же частицами, находятся в равновесии, и их перемещение не требует затраты работы).

 
 

 


Рисунок 2. Взаимодействие между молекулами жидкости внутри

И на ее поверхности

Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и молекулами… Эта энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности,… , (1)

Некоторые методы определения

Коэффициента поверхностного натяжения

Метод отрыва капель

Этим объясняется шарообразная форма небольших капель жидкости. На рисунке 3 показаны различные стадии процесса образования и отрыва капли.…

Рисунок 4. Направления сил поверхностного натяжения и веса капли в момент ее отрыва

 

Так как процесс отрыва капли быстротекущий, то определение затруднено. Чтобы избежать измерения радиуса перетяжки используют метод сравнения коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости с коэффициентом поверхностного натяжения эталонной жидкости, для которой величина этого коэффициента известна.

Тогда можно записать:

- для исследуемой жидкости,

- для эталонной жидкости,

- радиус перетяжки капли исследуемой жидкости,

- радиус перетяжки капли эталонной жидкости.

Поскольку разница между и мала, ею можно пренебречь.

 

; отсюда ; (7)

 

Определение веса капли является трудоемкой и сложной работой, поэтому взвешивание заменяется простым подсчетом капель исследуемой и эталонной жидкостей при пропускании одинаковых объемов через прибор, называемый сталагмометром.

Тогда

;

;

 

где ρ1 и ρ0 – плотность исследуемой и эталонной жидкостей, а

n1 и n0 – количество капель этих жидкостей,

V – объем.

Подставляя значения Р1 и Р2 в (7) получим:

 

; (8)

 

Таким образом, зная К.П.Н. эталонной жидкости и плотности сравниваемых жидкостей, подсчитав n1 и n0, можно по уравнению (8) рассчитать К.П.Н. исследуемой жидкости.

Метод отрыва капель, не будучи очень точным, является, однако, употребительным в медицинской практике. Этим методом определяют в диагностических целях поверхностное натяжение спинномозговой жидкости, желчи и т.д.

 

Метод отрыва кольца

К пружине динамометра или коромыслу торзионных весов подвешено кольцо, которое нижней частью касается жидкости. В результате смачивания стенок…    

А б

Рисунок 5. Установка для измерения КПН методом отрыва кольца

 

Будем плавно тянуть пружину с кольцом вверх. Жидкость, сцепившись с кольцом в результате его смачивания, будет удерживать кольцо, пока сила упругости пружины не превысит силы сцепления между молекулами поверхностного слоя жидкости. Пружина разрывает поверхностный слой, при этом разрывающее усилие F будет равно силе поверхностного натяжения, приложенной к внешнему и внутреннему контурам кольца.

Сила поверхностного натяжения будет равна:

(9)

D1 и D2 – внешний и внутренний диаметры кольца, соответственно.

Обозначим толщину кольца h, тогда D2 = D1 – 2h.

Следовательно: (10)

Отсюда (11)

F – измеряется динамометром или торзионными весами, а D1 и h микрометром или штангенциркулем.

 

Метод определения КПН. по высоте поднятия жидкости в капилляре

Этот метод основан на использовании формулы Жюрена для определения высоты поднятия жидкости в капилляре, которая записывается в следующем виде: ; (12) где r – радиус капилляра,

Выполнение работы

При определении КПН методом отрыва капель используется метод сравнения КПН исследуемой жидкости с КПН эталонной жидкости, например, воды, для… Порядок выполнения: 1. Промыть бюретку водой.

Зависимость значений КПН (Н/м) дистиллированной воды от температуры

Контрольные вопросы 1. Природа сил поверхностного натяжения. 2. Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения (КПН).

Лабораторная работа №5

Определение абсолютной и относительной

влажности воздуха

Основные понятия и определения: понятие абсолютной, максимальной и относительной влажности, единицы измерения этих величин, понятие точки росы и дефицита влажности.

Цель работы: научиться пользоваться приборами для определения влажности воздуха, уметь определять абсолютную, максимальную и относительную влажность различными методами.

Краткая теория

Для количественной характеристики водяных паров в воздухе вводятся следующие понятия: 1. Абсолютная влажность f - физическая величина, численно равная массе… , т.е. p ~ r

Метод непосредственного измерения

Сущность данного метода состоит в следующем. Пропустив определенный объем воздуха через вещество, поглощающее пары воды, определяют увеличение массы этого вещества. Эта прибавка и есть масса поглощаемого пара. Этот способ является наиболее точным, но очень громоздким и на практике применяется редко.

Определение влажности воздуха с помощью

Гигрометра Ламбрехта

Температура, при которой водяной пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы. В момент появления первых признаков росы (потускнение поверхности) прекращают… tср=(t1 + t2)/2 (3)

Определение влажности воздуха аспирационным

Психрометром Ассмана

Резервуар одного из термометров обмотан батистом, который смачивается водой. Вращением вентилятора в прибор засасывается воздух, который обтекает… Абсолютную влажность f рассчитывают по формуле: , (4)

Определение влажности воздуха с помощью психрометра

Августа

Вследствие испарения воды показания влажного термометра будут ниже, чем сухого. Зная разность показаний сухого и влажного термометров и показания…

Выполнение работы

1. Смочить батист на резервуаре психрометра Ассмана водой с помощью пипетки. 2. Завести по часовой стрелке вентилятор почти до отказа, но осторожно, чтобы… 3. Через 4 мин после пуска вентилятора снять показания сухого и влажного термометров.

Контрольные вопросы

1. Определения абсолютной, максимальной и относительной влажности.

2. Определение точки росы, дефицита влажности.

3. Методы определения абсолютной, максимальной и относительной влажности.

4. Устройство и принцип работы волосного гигрометра.

5. Устройство и принцип работы гигрометра Ламбрехта.

6. Устройство и принцип работы психрометра Августа.

7. Устройство и принцип работы психрометра Ассмана.

 

Лабораторная работа №6

и двухполупериодного выпрямителя Основные понятия и определения: типы полупроводников, образование и свойства… Цель работы: научиться работать с электроизмерительными приборами, выпрямителем, научиться пользоваться осциллографом.

Краткая теория

Выпрямитель, получивший в медицине название аппарата для гальванизации, служит для преобразования промышленного переменного тока в постоянный.

Этот аппарат состоит из выпрямляющего устройства, потенциометра и миллиамперметра. Потенциометр служит для регулирования выпрямленного напряжения, а миллиамперметр для измерения силы тока, пропускаемого через больного. Выпрямляющее устройство выполнено на основе полупроводниковых диодов.

Полупроводниковые диоды

P-n переход представляет тонкий слой (10-4-10-5 см), образуемый на границе между двумя соприкасающимися полупроводниками с разными типами…  

Рисунок 1.Схема образования запирающего слоя в p-n переходе

 

Аналогично, из n – полупроводника в p – полупроводник будут диффундировать электроны. В пограничном слое электроны и дырки встречаются и рекомбинируют друг с другом, вследствие чего область контакта обедняется основными носителями и зарядами, и в контактной зоне образуется двойной электрический слой за счет нескомпенсированных ионов примесей положительных ионов доноров в n – области и отрицательных ионов акцепторов в р – области. Возникшее в этом слое электрическое поле напряженностью будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении n→p и дырок в направлении p→n. Через некоторое время при определенном значении напряженности установится подвижное (динамическое) равновесие, при котором прекратятся преимущественные переходы электронов и дырок в указанных направлениях, т.е. количество электронов и дырок, перешедших из одного полупроводника в другой путем диффузии, будет равно количеству электронов и дырок, возвращающихся обратно под действием электрического поля .

В итоге в приконтактной области образуется тонкий слой с большим электросопротивлением, который называется запирающим слоем (т.к. вследствие рекомбинации концентрация носителей заряда в нем мала).

Сопротивление запирающего слоя можно менять с помощью внешнего электрического поля.

 

Рисунок 2. Схема обратного включения диода

 

Если напряженность внешнего поля совпадает по направлению напряженностью (рис.2), то оно еще дальше отодвинет электроны и дырки от места контакта полупроводников. Запирающий слой, объединенный носителями зарядами, расширится, а его сопротивление возрастет. Ток в этом случае практически отсутствует (величина тока, создаваемого неосновными носителями заряда, будет пренебрежимо мала, т.к. концентрации не основных носителей в полупроводниках весьма малы). Такое напряжение внешнего поля (n→p) называется запирающим, а малый ток – обратным.

Изменим полярность внешнего напряжения (рис.3). Тогда напряженность внешнего поля, направленная противоположно напряженности , будет перемещать свободные электроны, и дырки по направлению к контактному слою. Прилежащие слои полупроводников обогащаются носителями зарядов, запирающий слой сужается, а его сопротивление уменьшается. При определенном значении приложенного внешнего напряжения запирающий слой исчезнет и через полупроводник пойдет большой ток. Такое направление внешнего электрического поля (p→n) называется пропускным, а ток прямым.

 

Рисунок 3. Схема прямого включения диода

 

Таким образом, сопротивление n-p перехода зависит от направления поля и он, соответственно, обладает односторонней проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Если к такому контакту приложить переменное напряжение, через p-n – переход ток будет идти только в одном направлении: от p- проводника к n – полупроводнику.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика полупроводникового диода) изображена на рис. 4. Здесь же приведены обозначения диодов на схемах, соответствующие пропускному и запирающему направлениям включения внешнего электрического поля.

 

Рисунок 4. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

Выпрямительные свойства полупроводниковых диодов характеризуют коэффициентом выпрямления К, который равен:

при .

Важной характеристикой полупроводниковых диодов является максимальное обратное рабочее напряжение (см. рис. 4), превышение которого может привести к пробою диода и нарушению его работы.

 

Полупроводниковые диоды, обладая малыми габаритами, большой надежностью, долговечностью и высоким коэффициентом полезного действия, нашли использование в выпрямителях и, следовательно, являются основной частью аппарата для терапии постоянным током.

 

Устройство и принцип действия аппарата для гальванизации

 

Основным узлом аппарата является выпрямитель со сглаживающим фильтром.

Выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов, сглаживающего фильтра (С1, С2 и др.) и потенциометра Rн. Переменное напряжение сети преобразуется трансформатором в нужное по величине напряжение, которое снимается с вторичной обмотки и подается на диоды, включенные по мостовой схеме.

 

Рисунок 5. Схема аппарата для гальванизации без сглаживающего фильтра

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока в данной схеме выпрямителя. Предположим, что в какой-то момент времени точка А (по схеме рис.5) имеет положительный потенциал по отношению к точке В. тогда ток протекает через диод Д1 (пропускное направление), потенциометр Rн и Д3 .

Во второй полупериод полярность точки А и В меняется на противоположную. Тогда ток потечет через диод Д2, потенциометр Rн и Д4.

Таким образом, в оба полупериода через потенциометр Rн течет ток, постоянный по направлению, но переменный по величине пульсирующий ток (рис. 6).

 

 

Рисунок 6. График двухполупериодного выпрямления без сглаживающего фильтра

 

Для сглаживания пульсаций тока используют сглаживающий фильтр, состоящий из двух конденсаторов С1, и С2 и дросселя Др

(рис. 7).

 

Рисунок 7. График двухполупериодного выпрямления со сглаживающим фильтром

 

При возрастании тока конденсаторы заряжаются. В тот момент, когда ток начинает уменьшаться, конденсаторы, разряжаясь через Rн, поддерживают ток, не давая падать ему до нуля. Это приводит к ослаблению амплитуды пульсаций тока. Одновременно с этими процессами происходит гашение колебаний тока в дросселе, в котором возникает ток самоиндукции противоположного направления, а при уменьшении основного тока, ток самоиндукции меняет свое направление и стремится поддержать его. Таким образом, пульсация основного тока еще больше уменьшается и через Rн течет ток, постоянный уже не только по направлению, но и по величине.

 

Порядок выполнения работы

 

Упражнение 1. Снятие вольтамперной характеристики диода

Измерения проводятся на макете, схема которого представлена на рис.8

 

 

Рисунок 8. Схема для снятия вольтамперной характеристики диода

 

 

1. Начертить в тетради таблицы 1 и 2.

 

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений

Uпр, мВ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Iпр, мА 0

Таблица 2

Результаты измерений и вычислений

Uобр, В 0 20 40 60 80 100 120
Iобр, мкА

 

2. Для измерения прямого тока поставить все тумблеры в левое положение и включить макет в сеть. Устанавливая потенциометром R1 напряжение Uпр согласно таблице 1, измерить соответствующие значения силы тока Iпр.

3. Для измерений обратного тока поставить все тумблеры в правое положение. Устанавливая потенциометром R2 напряжение Uобр согласно таблице 2, измерить соответствующие значения силы тока Iобр.

4. Выключить макет из сети. По полученным данным построить вольтамперную характеристику диода I=f(U) на одном графике, причем Uпр и Iпр откладывать на положительных полуосях координат, а Uобр и Iобр - на отрицательных (масштабы для Iпр и Iобр, Uпр и Uобр - разные ).

5. Оценить по полученной вольтамперной характеристике прямое Rпр и обратное Rобр сопротивления диода.

6. Оценить абсолютные погрешности всех измерительных приборов.

Упражнение 2. Исследование работы выпрямителя со сглаживающим фильтром

1. Перечертите схему изучаемого двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром (рис .9) в свою тетрадь. Аналогичные выпрямители используются в медицине в качестве источника постоянного тока, например, для гальванизации и электрофореза.

Рисунок 9. Схема для получения постоянного тока двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром

 

2. Подключить осциллограф к входным клеммам выпрямителя (точки А и В) и затем включить оба прибора в сеть.

3. Получить на экране осциллографа и зарисовать наблюдаемые осциллограммы, соответствующие:

а) Выпрямляемому переменному току (точки А и В на схеме).

б) Однополупериодному выпрямлению:

1) без сглаживающего фильтра. Для этого подключить осциллограф к выходным клеммам выпрямителя и поставить все тумблеры в нижнее положение.

2) с фильтром из:

а) одного конденсатора С1. Для этого поставить тумблер К2 в верхнее положение;

б) двух конденсаторов С1 и С2. Для этого поставить тумблер К3 в верхнее положение;

в) двух конденсаторов С1 и С2 и индуктивности L. Для этого поставить тумблер К4 в верхнее положение.

Примечание. Все четыре осциллограммы (1; 2а, 2б, 2в) рисуются разными линиями на одном графике в том же временном масштабе, что и в случае А.

в) Двухполупериодному выпрямлению:

1) без сглаживающего фильтра. Для этого все тумблеры, кроме К1, поставить в нижнее положение.

2) с фильтром... - выполняется аналогично пункту 2) для случая Б.

3) выключить оба прибора из сети.

Задание по УИРС

Оценить по вольтамперной характеристике контактную разность потенциалов р-n-перехода (Dj »Uпр, правее которого характеристика становится практически линейной, т.е. выполняется закон Ома).

 

Контрольные вопросы:

1. Основные положения и понятия зонной теории.

2. Различие между металлами, полупроводниками и диэлектриками согласно зонной теории.

3. Типы полупроводников, образование и свойства p-n перехода.

4. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

5. Схема и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

6. Электропроводность тканей организма, первичное действие на них постоянного тока.

7. Применение постоянного тока в лечебных целях (гальванизация и электрофорез).

 

Лабораторная работа №7

Изучение работы полупроводникового триода

(транзистора)

Основные понятия и определения: образование р-n-перехода и его свойства; статические входные и выходные характеристики и параметры транзистора в схеме с ОЭ.

Цель работы: научиться пользоваться электроизмерительными приборами и рассчитывать параметры транзистора.

Краткая теория

Полупроводниковый триод или транзистор представляет собой монокристалл германия или кремния, в котором имеются два электронно-дырочных n-p перехода (рис. 1).

 

 
 

 


Рисунок 1. Схематичное изображение полупроводникового триода

 

Каждый переход ведет себя в отдельности как обычный полупроводниковый диод, т.е. обладает односторонней проводимостью. Один из переходов – эмиттерный – предназначен для включения в прямом, пропускающем направлении, а другой – коллекторный – в обратном, запирающем направлении. Средняя область транзистора, общая для обоих n-p переходов, называется базой, крайние области – эмиттер (источник носителей зарядов) и коллектор (сток носителей заряда). Эмиттер и коллектор всегда имеют проводимость, противоположную проводимости средней области – базы. В зависимости от характера проводимости базы различают транзисторы типа p-n-p и n-p-n типа.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p, когда в цепи эмиттера и коллектора включены только постоянные напряжения EК и EЭ (рис.2). Напряжение в цепи эмиттера задается небольшим, в пределах 1-2 В. Так как эмиттерный переход включается в пропускном направлении, то напряжение EЭ понизит потенциальный барьер на границе эмиттер-база и будут созданы условия для перемещения (инъекция) дырок из эмиттера в базу, а электронов – из базы в эмиттер.

 

 
 

 

 


EЭ (1-2 В)

Рисунок 2. Транзистор типа p-n-p

 

Сопротивление эмиттерного перехода становится незначительным. Напряжение в цепи коллектора EК задается в пределах 10-30 В и включается так, что переход база – коллектор находится в непроводящем состоянии. Основные носители зарядов уходят от коллекторного перехода и по обе стороны от него образуются области, лишенные основных носителей заряда, прямой ток отсутствует. Это означает, что сопротивление коллекторного перехода велико (сотни кОм).

Однако через этот переход протекает слабый обратный ток IКО, образуемый не основными носителями зарядов (неосновные носители в области p - электроны, а в области n - дырки).

При одновременном включении обеих батарей (EК и EЭ) вследствие понижения величины потенциального барьера эмиттерного перехода и наличия градиента концентрации носителей заряда происходит перемещение дырок из эмиттера в базу и электронов в обратном направлении. Следовательно, ток эмиттерного перехода IЭ обусловлен встречным потоком основных носителей зарядов эмиттера и базы. Однако, количество электронов, инжектируемых из базы в эмиттер, ничтожно мало по сравнению с дырками, которые инжектируются в базу, так как концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в эмиттере. К тому же и объем базы весьма мал по сравнению с размерами эмиттера. Поэтому для объяснения физических процессов в транзисторе p-n-p электронной составляющей эмиттерного тока обычно пренебрегают.

Инжектированные эмиттером в базу дырки из-за наличия градиента концентрации носителей заряда (концентрация понижается в сторону коллектора) начинают перемещаться в направлении коллекторного перехода. В процессе диффузного движения дырок в базе некоторые из них рекомбинируют с электронами, образуя ток базы, остальная часть дырок достигает коллекторного перехода.

Здесь дырки втягиваются электрическим полем коллекторного перехода (в то же время это электрическое поле является препятствием для электронов со стороны базы) и проникают в коллектор, образуя ток IК. Величина тока коллектора IК оказывается очень близкой к величине тока эмиттера IЭ, так как область базы делается очень узкой (от нескольких мкм до десятков мкм) и при такой ширине базы число рекомбинированных дырок невелико и большая часть дырок достигает коллекторного перехода.

При увеличении толщины базы увеличивается число рекомбинаций, и ток базы возрастает, но всегда ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора:

IЭ = IК + IБ

И если толщина базы очень мала, то IБ << IК и можно считать ток коллектора приблизительно равным току эмиттера:

IЭ » IК

Усиление электрических колебаний

С помощью транзисторов

В схемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3). Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом…

Рисунок 3. Схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором

 

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току a, равный отношению приращения выходного – коллекторного тока DIК к вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного тока DIЭ при постоянном напряжении на коллекторе UK, т.е.

при UK = const.

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току a всегда меньше единицы и обычно

a = 0,90 ¸ 0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы IБ, а выходным – ток коллектора IК.

При изменении Uвх изменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттера IЭ .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора IК и IБ базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектора IК управляется входным током – током базы IБ, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряжения Uвх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по току b в схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного тока DIК к вызвавшему его изменению тока базы DIБ при постоянном напряжении на коллекторе:

 

при UK = const.

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение Uвх изменяет входной ток IБ, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектора IК, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

(>> 1 - примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки Rн изменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсатор С подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения Uвых. И так как амплитуда тока коллектора IК всегда больше амплитуды тока базы IБ (b >> 1), то при достаточной величине сопротивления нагрузки Rн амплитуда выходного напряжения Uвых получается значительно больше амплитуды входного напряжения Uвх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощности P (P=U×I), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.

Статические характеристики транзистора

Входной характеристикой транзистора для схемы с общим эмиттером называется зависимость тока базы от напряжения на базе IБ=f(UБ) при постоянном напряжении на коллекторе UK = const, а выходной – зависимость тока коллектора от напряжения на нем…

Рисунок 4. Схема для снятия статистических характеристик транзистора с общим эмиттером

 

Типичное семейство входных характеристик (зависимость IБ от UБ при нескольких постоянных UK) представлено на рис. 5а, а семейство выходных характеристик (IК=f(UК) при нескольких значений тока базы IБ) – на рис. 5б.

Отметим, что при увеличении коллекторного напряжения по модулю входная статистическая характеристика располагается ниже и правее. Объясняется это тем, что при этом расширяется коллекторный переход и соответственно уменьшается ширина базы, вследствие чего уменьшается ток рекомбинации, т.е. ток базы IБ. Основными параметрами транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, являются:

1) коэффициент усиления по току при UK = const.

2) входное сопротивление при UK = const.

3) выходное сопротивление при IБ= const.

Вычисляются эти параметры с помощью статических характеристик.

Для определения Rвх надо взять на входной характеристике, снятой при некотором постоянном UK, прямолинейный участок и выбрать приращения DUБ и DIБ (рис. 5а). Отношение и определяет входное сопротивление Rвх при данном постоянном UK . Видно, что значение Rвх определяется наклоном кривой входной характеристики, который зависит от величины коллекторного напряжения. Аналогичным образом с помощью выходной характеристики определяют Rвых (рис.5б). Приращения DUK и соответствующее ему брать надо на прямолинейном участке. Тогда

.

Необходимо отметить, что выходное сопротивление Rвых при разных токах база имеет различные значения, поэтому полученное значение Rвых будет относиться только к определенному току базы IБ3 .

Для нахождения коэффициента усиления b необходимо взять две выходные характеристики, снятые при различных значениях базы - IБ4 и IБ3 (рис.5а). Тогда DIБ= IБ4-IБ3, а за приращение необходимо взять разность значений тока коллектора при одном и том же напряжении UK (на рисунке при UK= UKЭ2), но при различных значениях тока базы. Отношение и дает значение коэффициента усиления b при постоянном коллекторном напряжении UKЭ2 .

 

Целью данной работы является снятие статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и определением по ним основных параметров: Rвх, Rвых и b. Для снятия статических характеристик используется схема, изображенная на рисунке 4.

 

IБ5 > IБ4> IБ3> IБ2> IБ1
а
-UБ, mB
UБ1
UБ2
0
DUБ
IБ1
DIБ
IБ2

 

б    
IK,mA
DIK
IK0
UKЭ2
UKЭ1
IБ5
IБ4
IБ3
IБ2
IБ=0
IБ1
DUK
UKЭ3
DIK'
IK2
IK1
-U, B

Рисунок 5. Графики входящих и выходящих характеристик для транзисторов с общим эмиттером

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие входной характеристики транзистора – зависимости IБ от UБ при постоянном напряжении на коллекторе (UК = const). 1. Зарисовать в тетрадь таблицу 1 для записи результатов измерений. 2. Включить макет в сеть и установить потенциометром R2 напряжение между коллектором и эмиттером UК, равное нулю: UК =…

Конторольные вопросы

1. Образование р-n-перехода и его свойства.

2. Устройство и принцип работы транзистора в схемах включения с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

3. Принцип работы и формула для коэффициентов усиления усилителя по току, напряжению и мощности на транзисторе.

4. Статические входные и выходные характеристики и параметры транзистора в схеме с ОЭ.

 

 

Лабораторная работа №8

Основные понятия и определения: определение датчика, схема включения датчика, датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и… Цель работы: научиться собирать схему моста Уитстона, рассчитывать неизвестное…

Краткая теория

Для преобразования неэлектрических (механических) величин, возникающих в живом организме, в электрический сигнал используются датчики, которые или…  

Параметрические датчики

2. Емкостные преобразователи – датчики, в действии которых используется зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади… В медицине емкостной датчик можно использовать для измерения кровенаполнения… 3. Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное…

Генераторные датчики

, d – коэффициент пропорциональности между величиной заряда q и приложенной силы… C – емкость конденсатора.

Характеристики датчиков

2) чувствительность датчика (отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины ); 3) диапазон (х1 и х2) входных величин, измерение которых производится без… 4) время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень,…

Условие равновесия моста Уитстона

Мост находится в равновесии, если IВД = 0 (рис. 2), тогда по закону Ома:

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Градуировка полупроводникового терморезистора (термистора). Измерение сопротивления термистора производится с помощью мостовой схемы (рис.… При измерении RX передвижением контакта Д добиваются отсутствия тока в гальванометре Г, тогда: .

Рисунок 3. Установка для градуировки термистора

 

1. Собрать установку согласно рис. 3.

2. Налить в сосуд воды на ¾ объема, поставить его на электроплитку и поместить в него термистор, находящийся внутри защитного футляра, и термометр, закрепленный на штативе.

3.После проверки установки преподавателем включить макет в сеть.

4.При выполнении работы необходимо устанавливать ручкой движка Д гальванометр на нуль при указанных температурах и отсчитывать значения l2 и l3 по шкале реохорда, где l2 – число делений шкалы от 0 до движка Д, а l3 – от движка до конца шкалы.

5. По формуле RX = R1× (l2/l3) рассчитать сопротивление термистора RX для указанных температур.

6 . Включить электроплитку в сеть, и, нагревая воду, определить значение l2, l3 и сопротивление RX термистора через каждые 10°С согласно пунктам 4 и 5.

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:

 

 

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений

№ n/n T°С l2 / l3 R1, кОм RX, кОм
1 20
2 30
3 40
4 50
5 60
6 70

 

8. Выключить из сети электроплитку и макет.

9. По полученным в ходе эксперимента данным построить график зависимости RX = ¦ (t°С)

 

 

Рисунок 4. График зависимости сопротивления термистора

от температуры

 

10. По формуле: ZT = DRX /Dt (кОм/град) найти 2 значения чувствительности ZT термистора в начале и конце графика (см. график). Сравнить полученные значения и объяснить физическую природу их различия.

 

Контрольные вопросы

1. Структурная схема измерения неэлектрических величин электрическими методами.

2. Датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), устройство электротермометра.

3. Вывод условия равновесия моста Уитстона.

4. Основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медико-биологических исследованиях.

5. Принцип работы параметрических датчиков.

6. Принцип работы генераторных датчиков.

 

 

Лабораторная работа №9

Изучение центрированной оптической системы

 

Основные понятия и определения: понятие тонкой линзы, оптической силы и светосилы линзы, линейное увеличение; сферическая аберрация, хроматическая аберрация, астигматизм; дальнозоркость и близорукость.

Цель работы: различными методами научиться определять фокусные расстояния линз.

 

Краткая теория

В работе различных медицинских оптических приборов (микроскопы, эндоскопы, бронхоскопы, гастроскопы, очки и др.) нашли широчайшее использование как… Линза является собирающей, если она преломляет проходящие через нее лучи в…  

Рисунок 1. Ход лучей в собирающей и рассеивающей линзах

Рассматривая элементарную теорию преломления световых лучей на каждой из сферических поверхностей, ограничивающих тонкую линзу (тонкими линзами считают такие, у которых расстояние между вершинами двух сферических преломляющих поверхностей мало в сравнении с радиусами их кривизны), можно получить уравнение, которое связывает расстояния от оптического центра линзы до предмета (d)и до изображения (f) с показателем преломления материала линзы (n) и среды (no), в которой она находится, а также радиусами кривизны ее поверхностей R1 и R2 (рис.2).

 
 

 


Рисунок 2. Построение изображения в тонкой линзе

 

Это уравнение имеет вид:

 

; или (1)

 

В случае, когда предмет находится бесконечно далеко от линзы (d→∞), т.е. если лучи падают на линзу параллельно главной оптической оси, то получим:

Соответствующее этому случаю расстояние f=F называют фокусным расстоянием линзы.

(2)

 

Сравнивая формулы (1) и (2), окончательно получаем формулу тонкой линзы:

(3)

Эта формула пригодна для линз любой формы, только для собирающих линз фокусное расстояние F и величина f - положительны, а для рассеивающих F и f – отрицательны.

В связи с этим собирающие линзы называют положительными и обозначают (например, в рецептах на очки) знаком (+), рассеивающие называют отрицательными и обозначают знаком (-).

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы:

;(4)

где D измеряется в диоптриях (дптр).

Диоптрия – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 метр.

Линейным увеличением линзы называют отношение размеров изображения (H) и предмета (h) и вычисляют по формуле:

; (5)

откуда .

Подставляя значение f в формулу (3), получим:

; (6)

Оптическая система, образованная несколькими сферическими поверхностями, отделяющих друг от друга оптически однородные среды, называется центрированной, если центры всех поверхностей лежат на одной прямой. Эту прямую называют оптической осью системы.

Рассмотрим систему из двух линз, плотно прижатых друг к другу (рис.3).

 

 
 

 


Рисунок 3. Определение фокусного расстояния для системных линз

 

Допустим, что предмет А находится в фокусе первой линзы. Луч, вышедший из первой линзы, будет параллельным оптической оси и, следовательно, пройдет через фокус второй линзы. Рассматривая эту систему как одну линзу, можно написать, что

. Так как , , то (7)

Этот результат верен и для более сложной системы тонких линз. Оптическая сила системы линз будет равна сумме оптических сил составных частей

. (8)

В случаях двух отдельных линз с фокусными расстояниями F1 и F2, расположенными вдоль одной и той же оси на расстоянии (а) друг от друга:

(9)

Яркость изображения, получаемого с помощью линзы, зависит от значений ее диаметра и оптической силы. Величину называют относительным отверстием, а - светосилой линзы, где 2r – диаметр линзы.

Светосила обуславливает яркость изображения, образуемого любой оптической системой, и зависит от плотности световой энергии, проходящей через линзу и дающей изображение предмета.

Линза обеспечивает геометрически правильное и резкое изображение только при условии параксиальности (лучи идут под малыми углами к главной оптической оси) световых лучей и отсутствии дисперсии. При несоблюдении этих условий в изображении, которое дает линза, наблюдаются определенные недостатки и искажения. Основными из них являются: сферическая аберрация, кривизна поля и дисторсия, хроматическая аберрация, астигматизм наклонных пучков.

 

1. Сферическая аберрация. Это явление заключается в том, что лучи, удаленные от главной оптической оси, сильнее преломляются линзой, чем лучи, близкие к оси (параксиальные). Вследствие этого имеет место отклонение от гомоцентричности. На рисунке (4) показан пучок параллельных главной оптической оси лучей, которые, после преломления, практически не собираются в одной точке и дают расплывчатое изображение (пятно).

 

 

 
 

 

 


Рисунок 4. Ход лучей через собирающую линзу при сферической аберрации

 

2. Хроматическая аберрация. Согласно формуле (2) фокус линзы зависит от показателя преломления n материала из которого изготовлена линза. В свою очередь показатель преломления линзы зависит от длины волны λ (явление дисперсии), т.е. n=f(λ). График этой зависимости имеет вид:

Рисунок 5. График зависимости показателя приломления линзы от длины волны

 

Проходя через линзу, белые лучи разлагаются на спектральные цвета так же, как при прохождении через призму. Лучи с малой длиной волны преломляются сильнее, чем лучи с большой длиной волны. Как следствие дисперсии, изображение белого источника света оказывается на экране окрашенным в спектральные цвета (хроматическаяаберрация). Левой части спектра соответствует фиолетовый цвет, а правой – красный цвет.

Рисунок 6. Ход лучей через собирающую линзу при хроматической аберрации

 

3. Астигматизм. Изображение прямого источника света, от которого падают на линзу сильно наклоненные к главной оптической оси лучи, получается не в одной плоскости в виде двух искривленных линий. Астигматизм имеет место в результате неодинакового преломления лучей, проходящих через линзу в различных меридианных плоскостях. Применяя соответствующим образом подобранные комбинации линз с недостатками, имеющими противоположный характер, можно добиться устранения их, что и делают на практике.

В данной работе предлагается определить фокусное расстояние тонких собирающих и рассеивающих линз.

Фокусное расстояние собирающей линзы можно определить, используя уравнение (3) и (6), если измерить соответствующие величины.

Фокусное расстояние рассеивающей линзы можно определить следующими способами:

1. Зная фокусное расстояние собирающей линзы, составляют систему 2-х плотно сдвинутых линз (собирающей и рассеивающей), дающую действительное изображение. Определив опытным путем, фокусное расстояние полученной системы, вычисляют фокусное расстояние рассеивающей линзы из формулы:

; откуда (8);

2. Если на пути лучей, исходящих из точки А (рис. 5), поставить собирающую линзу, то лучи, преломляясь в ней, дадут изображение (точка В). При помещении рассеивающей линзы за собирающей, в результате рассеивания, действительное изображение переместится в положение С. Пользуясь принципом обратимости лучей (обратимы в данном случае точки С и А), можно положить, что точка С – есть предмет для рассеивающей линзы. Тогда ее изображение будет лежать в точке B. Следовательно, расстояние от рассеивающей линзы до точки С будет d, а от рассеивающей линзы до точки B – f.

Измеряя эти расстояния и учитывая, что f – отрицательно, по формуле (3) рассчитывают фокусное расстояние рассеивающей линзы.

 

 
 

 


Рисунок 7. Измерение фокусного расстояния рассеивающей линзы

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Определение фокусных расстояний собирающей линзы по измерениям d и f 1. На горизонтальной оптической скамье разместите осветитель, экран и линзу.… 2. Перемещая линзу между экраном и предметом, добиваются четкого изображения предмета на экране.

Основная литература

1. Козырев А.В. Курс лекций по физике / А. В. Козырев ; Томск : ТУСУР, 2007. – 421с.

2. Детлаф А.А. Курс физики : Учебное пособие для вузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Академия, 2007. – 719с.

3. Савельев И. В. Курс общей физики : учебное пособие для втузов: В 3 т. / И. В. Савельев. – СПб. : Лань, 2007 – 432 с.

4. Трофимова Т. И. Курс физики : учебное пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – М. : Академия, 2010. – 557 с.

5. Антонов В.Ф. Физика и биофизика: курс лекций для студентов медицинских вузов / В.Ф. Антонов, А.В. Коржуев.- М.: Гэотар Медицина, 2004.- 192 с.

дополнительная литература

6. Биофизика / Ю.А. Владимиров [и др.].- М.: Медицина, 1983.- 272 с.

7. Биофизика: учебник для студентов высших учебных заведений / В.Ф. Антонов [и др.]; под ред. В.Ф. Антонова.- М.: Гуманитарный издат. центр «ВЛАДОС», 2000.- 288 с.

8. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмурман.- М.: Высшая школа, 1999.- 479 с.

9. Грабовский Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - М.: Высшая школа, 1974.

10. Дунаев А.А. Основы теории вероятностей и математической статистики / А.А. Дунаев, В.А. Тупицын.- Рязань: РязГМУ, 2001.

11. Костылев В.А. Медицинская физика / В.А. Костылев.- М.: Медицина, 2008.

12. Ливенцев Н.М. Курс физики / Н.М. Ливенцев. - М.: Высшая школа, 1978.

13. Практикум по физике / В.А. Хитун [и др.].- М., 1972.- С. 50-65; 103-108.

14. Пустовалов А.П. Избранные вопросы медбиофизики: учебное пособие / А.П. Пустовалов.- Рязань: РязГМУ, 2002.- 123 с.

15. Ремизов А.Н. Курс физики / А.Н. Ремизов - М.: Высшая школа, 1998.- С. 103-104; 111-112.

16. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. - М.: Дрофа, 2003.- 560 с.

17. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов.- М.: Высшая школа, 2000.

18. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов.- М.: Высшая школа, 1987.

19. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / И.А. Эссаулова [и др.].- М., 1987.- С.198-203.

 

Содержание

Введение
Практическое занятие. Измерение. Погрешности измерений
Лабораторная работа №1. Изучение законов вращательного движения с помощью маятника Обербека
Лабораторная работа №2. Определение отношения теплоемкостейпо скорости звука в газе
Лабораторная работа №3. Определение коэффициента вязкости жидкости
Лабораторная работа №4. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
Лабораторная работа №5. Определение абсолютной и относительной влажности воздуха
Лабораторная работа№6. Изучение работы полупроводникового диода и двухполупериодного выпрямителя
Лабораторная работа №7. Изучение работы полупроводникового триода (транзистора)
Лабораторная работа №8. Электрические методы измерения неэлектрических величин
Лабораторная работа №9. Изучение центрированной оптической системы
Список литературы

 

– Конец работы –

Используемые теги: Измерение, погрешности, измерений0.076

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Измерение. Погрешности измерений

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Измерение постоянного тока, расчет сопротивления шунта и определение погрешности измерения .
Описать способы крепления подвижной системы на полуосях в подпятниках или на упругих немагнитных растяжках и отметить достоинства каждого из них. 2.… Отсчитать ток полного отклонения In по показанию образцового микроампеметра… Паралелльно прибору И включить магазин резисторов R0 и подбирать его сопротивление так, чтобы покозания уменьшились в…

Численное значение физической величины получают в результате измерений. Измерения физических величин подразделяют на
Цель лабораторного практикума экспериментально проверить теоретические выводы законы и соотношения между физическими величинами... Численное значение физической величины получают в результате измерений Измерения физических величин подразделяют...

Оценка погрешности прямых измерений
Оценка погрешности прямых измерений... Случайная и систематическая погрешности требуют разных приемов их оценки...

Нормирование погрешностей средств измерения
Класс точности КТ это обобщенная характеристика средства измерений выражаемая пределами его допускаемых основной и дополнительных погрешностей... Возможно несколько случаев обозначения класса точности... Часто КТ выражается привед нной погрешностью...

Измерение локуса контроля личности
На сайте allrefs.net читайте: Измерение локуса контроля личности...

Личностный опросник для измерения эмоционального отношения к общению.
На сайте allrefs.net читайте: Личностный опросник для измерения эмоционального отношения к общению....

Измерение твердости металлов
На сайте allrefs.net читайте: Измерение твердости металлов...

Измерение твердости металлов
На сайте allrefs.net читайте: Лабораторная работа № 1...

Измерение локуса контроля личности
На сайте allrefs.net читайте: Измерение локуса контроля личности...

Тест интеллекта. Предназначен для измерения уровня интеллектуального развития детей и подростков. Предложен Ф. Гудинаф в 1926 г.
На сайте allrefs.net читайте: Тест интеллекта. Предназначен для измерения уровня интеллектуального развития детей и подростков. Предложен Ф. Гудинаф в 1926 г....

0.052
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам