Дипломная (вкр): Простейший прибор для первичной оперативной оценки качества строительных материалов

Подготовить электронные весы для работы. Включение электронных весов производится кнопкой On. Вторичное нажатие этой кнопки приводит к выключению электронных весов. Кнопка установки нуля обнуляет показание электронных весов даже при нахождении на них груза. Кнопка выбора единиц измерения переключает шкалу на измерение в граммах или в фунтах.

Подготовить исследуемые тела к гидростатическому взвешиванию. Металлические грузы можно подвешивать к нити, если в них есть соответствующие отверстия. Камни, металлические грузы без отверстий и другие детали можно взвешивать в воде в тонкой пластмассовой сеточке.

Подготовить в протоколе измерений таблицу измеренных величин для записи результатов.

Выполнить взвешивание первого тела в воздухе, положив его на электронные весы, предварительно включив весы и установив на них нуль. Показание весов  записать в таблицу измеренных и вычисленных величин в соответствующую строку. Выключить электронные весы.

Установить на электронные весы ёмкость с водой. Количество воды в ёмкости должно обеспечивать возможность полного погружения в неё тела.

Включить электронные весы, установить на них нуль.

Погрузить в воду взвешиваемое тело так, чтобы оно не касалось дна и стенок ёмкости. Снять показание  весов. Это показание соответствует величине силе Архимеда, которая отталкивает ёмкость с водой вниз от погружённого в воду тела. Записать показание  электронных весов в соответствующую строку таблицы измеренных и вычисленных величин. Выключить электронные весы.

Повторить выполнение пунктов 4-7 при взвешивании других тел без полостей, изготовленных из этого же материала. Повторение пунктов 4-7 можно выполнять как для отдельных тел, так и для их совместных комбинаций. Можно взвешивать в воздухе и в воде не только отдельные грузы, но и различные наборы этих грузов. Выполнение пунктов 4-7 проводить до тех пор, пока не будет получена серия из 30-40 измерений.

Для каждого опыта в соответствующей строке таблицы измеренных и вычисленных величин вычислить значение плотности материала тела по формуле , где плотность воды принять равной  кг/м3. При гидростатическом взвешивании в других жидкостях (в масле, в керосине, в солёной воде и т.д.) плотность воды  заменить на плотность применяемой жидкости.

Вычислить среднее значение плотности материала тела по формуле  и записать полученное значение под соответствующим столбцом в таблице измеренных и вычисленных величин.

Вычислить абсолютные ошибки измерений плотности материала тела в каждом опыте по формулам  и записать полученные значения в соответствующих строках таблицы измеренных и вычисленных величин, заполнив соответствующий столбец таблицы.

Вычислить среднюю абсолютную ошибку измерений плотности материала тела по формуле  и записать полученное значение под соответствующим столбцом в таблице измеренных и вычисленных величин.

Вычислить относительную ошибку измерений плотности материала тела по формуле  и записать полученное значение в последней строке таблицы измеренных и вычисленных величин. Если относительная ошибка измерений менее 0,1 (10%), то результаты опытов можно предполагать отличными, если менее 0,2 (20%) - хорошими, если менее 0,3 (30%) - удовлетворительными. При относительной ошибке более 0,5 (50%) результаты измерений весьма сомнительны, работа, скорее всего, подлежит переделке.

Сделать выводы и оформить лабораторную работу. Вывод по лабораторной работе сформулировать в виде: средняя плотность материала (указать какого) тела, полученная по результатам … измерений, равна … Так как относительная ошибка измерений средней плотности материала тела (указать какого) равна …, то результаты измерений можно предполагать достоверными и даже отличными (хорошими, удовлетворительными).

Разрешается и даже приветствуется выполнять обработку экспериментальных данных с помощью программных продуктов. Рекомендуется применять табличный редактор EXCEL.

Таблица измеренных и вычисленных величин

ВЫВОДЫ

Дополнительные вопросы

Что такое гидростатическое взвешивание тела?

Чем плотность тела отличается от средней плотности тела?

Что такое плотность тела?

От чего зависит плотность тела и плотность вещества тела?

Что такое сила Архимеда?

Какова величина силы Архимеда?

Куда направлена сила Архимеда?

Каков принцип действия электронных весов?

Как с помощью весов определить величину силы Архимеда?

В каких пределах может изменяться плотность вещества?

Газ или жидкость имеет большее значение плотности?

Жидкость или твёрдое тело имеет большее значение плотности?

Какова плотность чистой и солёной воды?

Какова плотность ртути?

Какова плотность свинца?

Какова плотность железа?

Можно ли электронные весы заменит рычажными?

Можно ли применять весы без установки нулевого значения?

Какова точность применяемых весов?

Какую погрешность в измерения вносят подвесы тел?

Действует ли на тело сила Архимеда в воздухе?

Во сколько раз сила Архимеда в воде больше, чем в воздухе?

От чего зависит величина силы Архимеда?

Почему выталкивающую силу назвали силой Архимеда?

Почему железные корабли не тонут в воде?

Будет ли свинец плавать в ртути?

Можно ли в этой работе измерить плотность дерева?

Примеры полученных данных

. Определение плотности свинца

Вывод.

Плотность свинца, вычисленная по результатам 20 опытов измерений плотности рыболовных грузов, равна  кг/м3. Так как относительная ошибка измерения плотности свинца  (менее 3%), то результаты измерений можно предполагать достоверными, проведёнными с отличной точностью.

. Определение средней плотности коричневой гальки.

Вывод.

Плотность коричневой гальки, вычисленная по результатам 41 опыта измерений плотности камней, равна  кг/м3. Так как относительная ошибка измерения плотности коричневой гальки  (менее 5%), то результаты измерений можно предполагать достоверными, проведёнными с отличной точностью.

Повысить точность измерений за счёт исключения первых 16-и опытов не удаётся. Получается, что  кг/м3. Относительна ошибка измерений оказывается больше  (более 6%). Большое число измерений (41) предпочтительнее, чем меньшее число опытов даже при большей точности.

. Определение плотности известняка (гальки речной серой)

Вывод.

Плотность известняка (гальки речной серой), вычисленная по результатам 20 опытов измерений плотности камней, равна  кг/м3. Так как относительная ошибка измерения плотности серой гальки  (менее 5%), то результаты измерений можно предполагать достоверными, проведёнными с отличной точностью.

3. Информационное направление работы

Говорить об информатизации процесса обучения можно только конкретно, а не в общем. При этом под информатизацией в школе обычно понимают кабинеты, наполненные компьютерами, лежащие в шкафах диски с программами, счета за оплату Интернета, бегающего по школе завуча по непонятным ИКТ-технологиям и т.п. Однако совершенно забывают о простейших информационных задачах, лежащих на поверхности школьного курса физики, а также других предметов.

Это же можно сказать об инновациях, то есть о внедрении новых идей в практику. Бессмысленно упоминать слово «инновация» без конкретного содержания. Можно построить сколько угодно «сколковых», но оставить при этом все идеи в толстых научных отчётах для чиновников, чтобы те не разгневались за напрасно истраченные и разворованные громадные средства. Инновация - это не абстрактное исследование, а научная работа, доведённая до практического применения, начинающая приносить положительные результаты в различных областях: финансовые, политические, стратегические и др. Инновация требует быстрого оперативного внедрения. Действительно, если есть инновационная идея, то замедление её внедрения аналогично хранению денег под подушкой. Кроме того, если автор не внедрит свою идею в практику, то это сделает его конкурент.

Рассмотрим пример простейшей школьной задачи 7-го класса, которая решена, но не имеет инновационного внедрения в повседневную жизнь. После этого сформулируем задачу инновации, которая может быть решена в считанные дни, максимум - недели.

Всем хорошо известен метод гидростатического взвешивания тела с целью определения его средней плотности. Известен пример из истории с короной Герона и ювелиром-мошенником. А сколько сейчас вокруг таких мошенников? Реальный пример, вы решили построить сруб деревянного дома из клееного бруса 20х20см размерами 6х9х6 м. Для этого вам нужно закупить объём древесины (6+9+6+9)х6х0,2=36 кубометров. Технологический запас 10% увеличивает объём до 40 кубометров. При цене клееного бруса 12000 руб./кубометр ваши затраты будут равны 480000 руб., то есть порядка полумиллиона рублей. Это открытая часть любой рекламы в любом строительном журнале. Однако надо помнить, что мы живём в России, где обман - норма жизни. Кто сказал, что клееный брус будет качественным, прежде всего хорошо просушенным? Будет ли производитель 2 года выдерживать этот брус или попытается побыстрее получить прибыль? Скорее всего второе. Догадайтесь сами, что произойдёт через полгода после постройки сруба из сырого бруса, тем более клееного и профильного.

Чтобы избежать мошенничества со стороны продавца древесины достаточно измерить плотность материала. Для этого под рукой должны быть обычные небольшие бытовые весы. Их стоимость около 800 рублей при точности 1 грамм, а за 2500 рублей в магазине «Чип и дип» можно купить портативные весы размером с сотовый телефон с точностью 0,1 грамма. Просим продавца отпилить маленький кусочек (5х5х5 см) от запаса бревна по длине. Взвешиваем его в воздухе, запоминаем вес N. Потом взвешиваем в воде, причём обнуляем показание весов после установки банки с водой. Тогда весы покажут величину NА силы Архимеда. Вычисляем плотность предлагаемой к продаже древесины, поделив вес N бруска в воздухе на силу NА Архимеда и умножив на плотность воды 1000(кг/м3) :

плотность = 1000(N/NА) (кг/м3).

Сравниваем полученное значение с табличным для сухого дерева. Если табличного значения нет, то заранее высушим брусок и измерим его плотность. Древесина прекрасно впитывает воду. Даже небольшое намокание сразу увеличивает её плотность, поэтому недобросовестность продавца можно выявить оперативно.

То же самое касается цементных растворов из песка бетона и воды. Плотность сухого рыхлого кварцевого песка равна 1500-1550 (кг/м3), плотность цемента 3100-3200 (кг/м3), плотность воды 1000 (кг/м3) - все плотности существенно различаются. Это означает, что до заливки фундамента заказчик может оперативно проверить качество смеси по её плотности. Если плотность мала, по сравнению с табличными значениями, то в смеси много песка и воды, такой бетоновоз нельзя допускать на стройплощадку. Проверить плотность смеси можно тем же методом гидростатического взвешивания, взяв небольшое количество жидкого раствора и поместив его в тонкую оболочку, например, в резиновый воздушный шарик.

Измерение средней плотности тела - это обычная школьная задача. Эту задачу научились решать в 7-м классе. Реализация решения этой задачи на практике - это инновация. Автоматическое измерение плотности материала - это информационная задача. Последняя, информационная, часть задачи не решена до сих пор.

Вот формулировка этой задачи:

взвесить тело в воздухе;

записать показание весов в память прибора автоматически или нажатием кнопки;

взвесить тело в воде;

записать показание весов в память прибора автоматически или нажатием кнопки;

нажать кнопку прибора, после чего автоматически вычисляется сила Архимеда (из первого показания вычитается второе) и плотность тела (первое показание умножается на 1000 или плотность другой среды и делится на силу Архимеда);

вывести значение плотности тела на экран или на дисплей измерительного прибора.

В указанной формулировке задача становится чисто информационной. Аппаратная реализация требует 2-3 ячейки памяти, поэтому не представляет затруднений. Однако в средней школе решение этой задачи связано с трудностью программно-аппаратной части. Возникает задача считывания данных с дисплея весов, записи в дополнительные ячейки памяти, арифметических действий с данными ячеек памяти и выведения значения ячейки на дисплей. С технической точки зрения в этой задаче нет ничего сложного. Её можно решить даже в школьном техническом кружке. Однако, наверное, это уже задача курсовых студенческих работ.