5 Práce v laboratoři 5.1 Teoretická příprava na měření Má-li laboratorní cvičení splnit svůj účel, je bezpodmínečně nutné, aby studenti docházeli na každé měření řádně připraveni. Nedostatečná příprava vede k mechanickému provádění jednotlivých úkolů podle pracovního postupu bez hlubšího pochopení fyzikální podstaty problému a zvyšuje nebezpečí poškození měřicích přístrojů. Při měření elektrických úloh může navíc dojít k závažným úrazům. Nejdůležitější část přípravy je přesná formulace problému, který má být řešen. Musíme si jasně uvědomit, co je hlavní cíl měření. Ve skriptech nebo jiné doporučené literatuře je nutno prostudovat příslušnou problematiku tak, abychom získali představu o tom, jaký výsledek měření můžeme očekávat. Do přípravy (podle pokynů na volné listy nebo do laboratorního sešitu) zapíšeme všechny potřebné poznámky a výpisy. Ze základních vztahů vyplyne, které dílčí veličiny mají být změřeny. I když bývá u každé úlohy navržen pracovní postup, předpokládá se, že hlavní zásady experimentální práce a obecné metody měření (např. postupnou, kompenzační apod.) student už ovládá. Je nutné tedy prostudovat i první část skript – Úvod do měření nebo nahlédnout do doporučené literatury, kterou vám sdělí učitel. Proměřujeme-li fyzikální závislost, je vhodné předem odhadnout interval hodnot měřených veličin a stanovit počet a rozložení měřených bodů. Uvážíme, kterou oblast dané závislosti je nutno proměřit hustěji. Všechny nejasnosti je nutno konzultovat s učitelem předem. Student musí počítat s tím, že jeho příprava do cvičení bude kontrolována. Při nedostatečné přípravě nebude moci absolvovat cvičení v řádném termínu. Součástí každého úkolu ve fyzikálním měření je úplný a přehledný záznam o měření. Záznam musí být srozumitelný i po delším čase, a to nejen pro studenta, který měření prováděl, ale pro každého, kdo bude chtít měření analyzovat nebo v něm pokračovat. Důležitost tohoto úkolu pro technickou praxi není třeba zdůvodňovat. Poznámky se zapisují v konečné formě současně s měřením do zvláštního sešitu nebo na zvláštní papír, který je nutno nechat podepsat vyučujícím. Přepisování zápisu „na čisto“ je zbytečné a neodpovídá technické praxi. V záhlaví nezapomeňte uvést název a číslo úlohy a datum měření. Záznam musí obsahovat všechny údaje, potřebné ke zpracování celého měření. Je nutné uvést také čísla vzorků a seznam použitých přístrojů a jejich bližší specifikaci, aby bylo možné měření podle potřeby znovu opakovat a odhalit vliv konkrétních přístrojů.
5.2 Testy ve fyzikálním praktiku K rychlému prověření potřebných znalostí slouží ve fyzikálním praktiku vstupní testy zpracovávané na počítačích. V úvodní hodině se studenti dozvědí, u kterých úloh budou v semestru zařazeny.
00-5/1
V přihlašovacím formuláři vyplníte uživatelské jméno, které jste obdrželi při zápisu (např. xlospe00), heslem je Vaše ID z Průkazu studenta. Při vlastním testování mohou studenti používat pouze kalkulátor a svou vlastní přípravu; skripta ani jiné pomůcky nejsou povoleny. Po zadání osobních údajů se vygeneruje pět testových otázek. Každá otázka obsahuje 5 volitelných odpovědí, z nichž pouze jedna je správná. Odpovídejte samostatně kliknutím myší na zvolenou volbu A, B, C, D nebo E přepínače ve spodní části stránky s otázkou a poté stiskem tlačítka „Odeslat odpověď“. Bezprostředně po odeslání je zvolená odpověď zvýrazněna tučným písmem. Zvolenou odpověď je možno opakovaně měnit, započítána je poslední odpověď uložená před vyhodnocením testu. Pokud na danou otázku neodpovíte, je Vám započítána špatná odpověď. Mezi stránkami s otázkami se pohybujete pomocí pěti záložek v horní části okna. Kromě nich je tu záložka „Test“, která obsahuje přehled aktuálně zvolených odpovědí a tlačítko „Vyhodnotit test“, kterým je proveden přechod na vyhodnocení testu. Jednotlivé stránky testu můžete zobrazovat v libovolném pořadí, na již navštívené stránky je možné se vracet. V průběhu řešení testu nepoužívejte tlačítka „Zpět“, „Vpřed“ nebo „Aktualizovat“, jejich stisk způsobí ukončení testu. Pokud zavřete okno prohlížeče, je test ukončen. Po ukončení testu již není možné test opakovat. V pravém horním rohu se zobrazuje čas, který zbývá do konce testování, celý test trvá zpravidla 10 minut. Po uplynutí celkové doby nebo po stisku tlačítka „Vyhodnotit test“ na stránce „Test“ je provedeno vyhodnocení testu. Jestliže budete odpovídat až těsně před vypršením časového limitu, může se stát, že Vaše odpověď už nebude započítána. Po ukončení testu si můžete výsledek prohlédnout na stránce „Test“. Ve spodní části stránky s každou otázkou je navíc uvedeno písmeno Vámi zvolené odpovědi a písmeno správné odpovědi. Tlačítkem „Konec prohlížení“ na stránce „Test“ nebo po vypršení časového limitu je ukončeno prohlížení odpovědí a zobrazena stránka s celkovým výsledkem testu.
5.3 Zapojování obvodů Základním předpokladem úspěšné a bezpečné práce v elektrické laboratoři je dokonalá znalost schémat zapojovaných obvodů a pochopení fyzikálních jevů v daném úkolu. Napsat přesný, podrobný a přitom univerzální návod na to, jak konkrétně sestavit skutečný měřicí obvod, není prakticky možné. Přesto bude krajně účelné, aby se hlavně začátečník držel následujících zásad pro zapojování obvodů a pro zacházení s elektrickými přístroji. • Jakékoliv elektrické zdroje (el. rozvodná síť, akumulátorové baterie, Westonův normální článek, ale i – pokud vstup máme trvale pod napětím – výstupní svorky transformátorů, elektronických zdrojů, generátorů nf kmitů, atd.) zapojujeme do obvodu zpočátku pouze jednou svorkou, a to zemněnou. Druhou svorku („živou“) necháme přímo na zdroji rozpojenou. Síťové vidlice pochopitelně nezasuneme. • Obvod začneme zapojovat obvykle od zdroje energeticky nejsilnějšího, resp. nejméně choulostivého na přetížení. Postupně připojujeme další prvky obvodu, a to tak, abychom se pokud možno nejkratší cestou dostali od jedné svorky ke druhé. Přijdeme-li ve schématu do uzlu, není účelné začít zapojovat hned všechny větve. Velmi často se právě zde dopustíme nějaké chyby. Po zapojení hlavního obvodu zapojíme postupně další, popřípadě připojíme boční větve k hlavnímu obvodu. • Měřidla přepneme na nejvyšší rozsahy – snížíme tak riziko případného poškození přístroje. Měřidla přepínáme na vyšší rozsah při každé změně v zapojení či 00-5/2
v podmínkách měření. Zkontrolujeme, nebudou-li překročeny maximální přípustné hodnoty napětí a proudu všech prvků obvodu. • Elektronické přístroje potřebují určitou dobu k nažhavení, resp. k teplotní stabilizaci součástí (alespoň 5 až 10 minut). U osciloskopů stáhneme úplně jas obrazovky vždy, když neměříme (přístroj nevypínáme). Časté zapínání a vypínání elektronickým přístrojům neprospívá. • V dvojici přívodů rozlišujeme vždy „živý“ a „zemněný“ přívod. Je nutno dát zvlášť dobrý pozor na to, aby živý přívod nebyl zkratován např. tím, že by byl spojen se zemněným přívodem dalšího přístroje, a tedy prostřednictvím zemnících kolíků zásuvek zpět se zemněním původního přístroje. • Před připojením k regulovatelným zdrojům (regulační transformátor, potenciometr, reostat apod.) se musíme přesvědčit, jsou-li skutečně nastaveny na minimum omezované hodnoty. Nastavení na minimum nebo alespoň snížení hodnot musíme opakovat před každou změnou v zapojení. • Po úplném sestavení obvodu je nutné celé zapojení překontrolovat a pak teprve připojit ke zdroji. V našich laboratořích nesmí žádný student připojit elektrický obvod nebo zařízení ke zdrojům bez vědomí vyučujícího. • Při měření pak musíme počítat s tím, že vedle prvků, užívaných ve schématu, se mohou uplatňovat odpory, indukčnosti a kapacity spojovacích vodičů, přechodové odpory, které vznikají na styku dvou vodičů, vnitřní odpory zdrojů, impedance voltmetrů a ampérmetrů a také parazitní termoelektrická napětí. U každého měření musíme posoudit, které z uvedených veličin mohou mít vliv na výsledek měření.
5.4 Bezpečnost práce Pro práci ve fyzikální laboratoři FEKT VUT je stanoví laboratorní řád, s kterým se studenti seznámí v úvodní hodině, a který musí bezpodmínečně dodržovat. Jedná se zejména o následující zásady: 1. Dbát všech upozornění uvedených na bezpečnostních a informačních tabulkách umístěných v laboratoři. 2. Nepoužívat žádné přístroje a zařízení bez prostudování jejich obsluhy. 3. S horkými předměty manipulovat jen pomocí vhodných pomůcek. 4. Okamžitě hlásit vyučujícímu každý úraz v laboratoři. Velkou pozornost je třeba věnovat zejména předcházení úrazům způsobených elektrickým proudem, neboť tuto skutečnost stále ještě mnoho lidí (i poučených) podceňuje. Je všeobecně známo, že na každý organismus působí elektrický proud jinak. Rozhodující veličinou není, jak se většina lidí mylně domnívá, velikost napětí, ale velikost proudu. Velikost napětí, které je lidskému zdraví a případně i životu nebezpečné, závisí totiž na mnoha okolnostech, takže někdy to může být 100 V, jindy až 200 V a v některých případech třeba jen 50 V. To záleží na tom, jaký je: •
Povrchový odpor těla – zpravidla jde o odpor kůže v místě dotyku s vodičem. Tato veličina mění svoji hodnotu s vlhkostí kůže a mívá hodnotu několik kΩ .
00-5/3
• •
Objemový odpor lidského těla – který závisí na vzájemné geometrické poloze elektrod (dotýkajících se vodičů), na jejich vzájemné vzdálenosti apod. časový průběh elektrického proudu – střídavý proud 50 Hz je daleko nebezpečnější než stejnosměrný proud téže velikosti. Kromě toho je prokázáno, že účinky střídavých proudů vyšších frekvencí jsou menší ve srovnání se střídavými proudy nízkých kmitočtů.
Dospělý člověk snese napětí velmi vysoké frekvence až do 100 kV. Kmitočty většiny střídavých proudů používaných v praxi jsou však bohužel takové, že způsobují člověku největší škody na zdraví. Za bezpečný bývá považován stejnosměrný proud do 10 mA a střídavý proud o frekvenci do 100 Hz do 3,5 mA. Jak již bylo uvedeno, o účinku elektrického proudu rozhoduje velikost proudu, který lidským tělem prošel. Dojde-li při veškeré opatrnosti k úrazu elektrickým proudem, je naděje na záchranu postiženého tím větší, čím dříve je mu poskytnuta pomoc. Proto je důležité, aby s první pomocí bylo seznámeno co nejvíce lidí bez ohledu na jejich elektrotechnickou kvalifikaci.
Záchranné práce musejí probíhat vždy v tomto pořadí:
Vyprostit postiženého Vyproštění je zapotřebí provést co nejrychleji, ale tak, aby nebyl proudem zasažen sám zachránce, a to vypnutím obvodu nebo odtažením postiženého, případně odsunutím vodiče, který úraz způsobil. K odsunutí je třeba použít suchého izolantu, v krajním případě lze vodič uchopit rukou chráněnou několika vrstvami suché tkaniny.
Zavést oživovací pokusy V případě, že postižený nedýchá nebo přestal dýchat, nezdržujeme se ošetřováním vedlejších úrazů, ale zahájíme dýchání z plic do plic. Z úst odstraníme překážky, které by mohly dýchání bránit a postiženého položíme na záda. Jeho hlavu zakloníme co nejvíce vzad a otevřeme ústa. Jsou-li křečovitě stažena, neotvíráme je násilím, ale dýcháme nosem postiženého. Provádíme-li dýchání do úst, je zapotřebí zamezit unikání vdechnutého vzduchu nosem. Zpočátku vdechneme asi 10-krát v intervalu jedné sekundy, pak pokračujeme kolem 15 vdechů za jednu minutu. Vdechnutý vzduch vychází samovolně z plic ústy postiženého. Jestliže umělé dýchání není účinné a nemá-li postižený hmatný tep, je třeba začít s nepřímou srdeční masáží. Zachránce položí zápěstí pravé ruky dlaňovou stranou asi 3 až 5 cm nad dolní okraj hrudní kosti postiženého. Levou ruku položí přes pravou a vahou vlastního těla stlačuje rytmicky hrudní kost do hloubky asi 4 až 5 cm rychlostí 100krát za minutu. Vždy na 30 stlačení připadají 2 vdechy metodou z plic do plic. Nepřímá masáž a umělé dýchání se provádí až do oživení postiženého nebo příchodu lékaře.
Přivolat lékaře Ohlásit úraz odpovědnému zástupci organizace Měření s laserem Lasery vyvíjejí značné intenzivní záření ve viditelné i neviditelné spektrální oblasti. Uvedené záření škodí osobám a předmětům, především svými tepelnými účinky. Záření laseru může u člověka způsobit poranění pokožky a poškození očí. Může dojít i k poškození hlouběji uložených tkání. Citlivost na účinky laserového záření je individuální. Při práci je nutné dodržování následujících zásad: 00-5/4
Laserové záření škodí osobám a předmětům především svými tepelnými účinky – může způsobit poškození pokožky i očí. •
Vstup do laboratoře je povolen pouze studentům, kteří měří danou úlohu.
•
Laser zapíná a vypíná učitel. Dráha laserového paprsku je z bezpečnostních důvodů zakrytována, takže nemůže dojít k náhodnému zasažení oka. Studenti mohou manipulovat pouze těmi ovládacími prvky, které jsou nutné pro splnění úkolu měření.
•
Na sítnici oka nesmí dopadnou paprsek laseru, oko může být poraněno nejen přímými, ale i difusně odraženými paprsky. Při měření je proto nutné sundat z ruky všechny lesklé předměty (hodinky, prsteny apod.).
•
V úvodní hodině laboratorních cvičení musí být studenti prokazatelně seznámeni se zásadami bezpečnosti práce v laserové laboratoři a používání ochranných pomůcek.
•
Stolní lampa, zajišťující nepřímé osvětlení měřících přístrojů, musí být neustále rozsvícena. Při jakékoliv poruše a při nejasnostech je třeba přivolat učitele.
Měření se zářiči S radioaktivními látkami lze pracovat pouze v dozimetrické laboratoři, tj. v místnosti 327. Před zahájením výuky musí být studenti prokazatelně seznámeni s těmito pokyny a během výuky je bezpodmínečně dodržovat. •
Radioaktivní látky užívané při výuce jsou umístěny v olověných skříňkách nebo zařízeních u jednotlivých úloh. Všechny skříňky se zářiči jsou označeny a trvale uzamčeny. Zářiče vydává a po ukončení měření uschovává učitel.
•
V dozimetrické laboratoři je zakázáno jíst, pít a kouřit. Po skončení práce se zářiči se doporučuje umýt si ruce v tekoucí vodě (z důvodů možnosti nepředvídaného vnějšího zamoření).
•
Bližší pokyny ke způsobu práce s jednotlivými zářiči vydává podle potřeby zodpovědný pracovník ve formě dodatků k tomuto řádu (Ing. Jiří Majzner).
•
V případě ztráty zářiče zahájit okamžitě pátrání po zářiči s použitím Geiger-Müllerova čítače. Při jakékoliv poruše a při nejasnostech je třeba přivolat učitele.
•
O ztrátě zářiče informovat vedoucího ústavu a zodpovědného pracovníka.
5.5 Vlastní měření V laboratoři se nejprve před měřením přesvědčte, zda jsou připraveny všechny potřebné přístroje, pečlivě si je prohlédněte a seznamte se s jejich funkcí. Všimněte si a prostudujte pokyny k úloze a do sešitu zaznamenejte všechny změny. Zapište, jaké přístroje skutečně použijete, příp. opravte tabulky. Nebojte se s učitelem prodiskutovat pracovní postup měření, připadá-li vám váš návrh lepší. U některých úloh mohlo dojít ke změnám, které nejsou zachyceny ve skriptech. Poté připravte přístroje k měření, elektrické obvody zapojte podle schématu a požádejte učitele, aby zapojení zkontroloval. Elektrické zdroje může student zapojit až po jeho souhlasu. Z předběžného rozboru přesnosti měření vyplyne, jak přesně potřebujete určit hodnoty jednotlivých dílčích veličin a tomu přizpůsobíte způsob měření. Normální laboratorní měření 00-5/5
jsou požadována s přesností do 1 %, někdy až do 5 %. Taková měření vyžadují kvalitní, ale jinak běžné měřicí přístroje a vhodně zvolenou metodu. U orientačních měření připouštíme přesnost do 10 %. Dbejte o správné odečítání hodnot na měřicích přístrojích (pozor na osobní chyby) a správnou manipulaci s nimi. Vždy odhadujte desetiny nejmenších dílků stupnice. Při odečítání hodnot na stupnici musíme dát pozor na chybu z úkosu (tzv. paralaktickou chybu). U nulových metod je potřeba opětovně kontrolovat nulovou polohu přístroje. Zvolený pracovní postup přesně dodržujte a poznamenejte si všechny okolnosti, které by mohly mít vliv na výsledky měření. Chybu určujeme i u jednorázových měření, a to nejčastěji jako mezní odhad chyby. Nezapomeňte proto zaznamenat u elektrických měřicích přístrojů třídu přesnosti.
Je důležité, aby student během celého cvičení přivykal kritickému pohledu na vlastní práci. V laboratoři máte za úkol nejen změřit hodnoty zadaných fyzikálních veličin, ale také umět ohodnotit správnost a přesnost naměřených výsledků. Nesoulad mezi naměřenou hodnotou dané fyzikální veličiny a hodnotou očekávanou (obvyklou, tabelovanou) nemusí být ani neočekávaný ani nežádoucí. Naopak – je příležitostí k fyzikálnímu pátrání po možných zdrojích tohoto jevu a k získání dalších experimentálních zkušeností.
00-5/6
