Кафедра експериментальної фізики
Фізичний факультет

   Головним завданням сучасного фізика-дослідника є відкриття нових фізичних явищ і законів. При спостереженні того чи іншого ефекту або явища фізику треба уміти виділити головне, тобто те, що відрізняє дане явище від інших явищ. Проводячи різноманітні вимірювання, він повинен уміти встановлювати кількісні зв’язки між різними фізичними величинами та знаходити аналітичні вирази залежностей між ними. Результат експерименту повинен бути основою для висунення гіпотези, яка пояснює явище на основі відомих законів. Він має підводити дослідника до формулювання нових висновків і постулатів теорії. Сучасний дослідник також повинен уміти планувати експеримент, підбирати необхідні прилади для його виконання, знати основні правила проведення експериментальних і теоретичних досліджень, володіти різноманітними методами досліджень, уміти правильно виконувати фізичні вимірювання, оцінювати відповідні похибки, у тому числі, розраховувати їх з використанням комп’ютера, користуватись довідниками та іншими літературними джерелами.
   Сучасний фахівець у галузі фізики чи прикладної фізики зустрічається у своїй практичній діяльності з великою кількістю різноманітних процесів, механізмів, вимірювальних приладів та пристроїв, з різними методами досліджень. Зрозуміти принципи дії найбільш вживаних приладів та експериментального обладнання і оволодіти найпростішими методами досліджень не можна без фундаментальної загальнофізичної підготовки. Тому вивчення теоретичних положень фізики, які в основному зосереджені в лекційних курсах, слід поєднувати з дослідницькою роботою студентів у навчальних фізичних лабораторіях.
   Навчальна дисципліна «Загальний фізичний практикум (за розділами)» ознайомлює студентів-бакалаврів із технікою фізичного експерименту, вчить працювати із засобами вимірювань, різноманітною науковою апаратурою та формує у них навички використання засобів комп’ютерної техніки при розрахунках і опрацюванні експериментальних даних. Таким чином, вивчення навчальної дисципліни «Загальний фізичний практикум (за розділами)» призначене для того, щоб сформувати у студентів практичні уявлення про основні теоретичні розділи фізики, прищепити їм навички щодо експериментального дослідження тих чи інших фізичних явищ і процесів, навчити працювати з вимірювальними приладами і сучасними експериментальним обладнанням. При оформленні звіту (так званого протоколу лабораторної роботи) за результатами виконання лабораторних робіт відбувається ознайомлення студентів з вимогами щодо оформлення технічної документації та з державними стандартами.
   Основні завдання фізичного практикуму:
      - ознайомити студентів з основними найпростішими методами спостереження, вимірювання і експериментування;
      - ознайомити студентів з основними методами оцінки точності вимірювального обладнання, що використовується в експерименті, а також його будови;
      - навчити студентів використовувати лекційний матеріал курсів загальної фізики для аналізу експериментально одержаних конкретних результатів;
      - навчити студентів оцінювати числові порядки величин, що вивчаються, визначати точність і ступінь достовірності одержаних експериментальних результатів;
      - навчити студентів використовувати сучасні методи обробки результатів вимірювань, визначення похибок вимірювань і передбачення їх можливого зниження;
      - навчити майбутніх фізиків правильно представляти одержані експериментальні результати у вигляді графіків, таблиць, діаграм тощо.
      - навчити майбутніх дослідників робити правильні висновки за результатами проведеного експерименту.
   Кафедра експериментальної фізики Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна забезпечує виконання студентами, які навчаються за спеціальностями «104 Фізика та астрономія» та «105 Прикладна фізика та наноматеріали», лабораторних навчальних досліджень за такими розділами загального фізичного практикуму: механіка, молекулярна фізика, електрика і магнетизм, оптика, атомна фізики ядерна фізика та фізика елементарних частинок.
   Студенти вивчають вказані розділи фізичного практикуму протягом перших 1-6 семестрів, виконуючи за індивідуальним розкладом по 10-12 лабораторних робіт у кожному семестрі. При виконанні завдання лабораторної роботи студенти здають викладачу допуск, під час якого доповідають йому стислу теорію і методику виконання роботи. Після цього вони одержують допуск до виконання роботи, знімають результати досліджень і здійснюють попередні розрахунки. Остаточне оформлення звіту щодо виконаної лабораторної роботи студенти виконують самостійно, частково поза стінами лабораторії. Перед початком виконання лабораторних робіт з кожного розділу в лабораторії проводиться вступне заняття, яке направлене на ознайомлення студентів з технікою безпеки при виконанні даного розділу фізичного практикуму, змістом лабораторного практикуму в даній лабораторії, а також з методикою розрахунку похибок вимірювань. До кожного з розділів фізичного практикуму провідними викладачами кафедри укладені і видані методичні інструкції щодо порядку виконання лабораторних робіт, а також розроблено перелік контрольних питань та тестів для самопідготовки студентів до захисту звітів щодо одержаних результатів досліджень.

Зміст Загального практикуму з механіки

   За своїм змістом експериментальні лабораторні роботи на практикумі з механіки розподілені на два типи. Перший тип – це лабораторні роботи, в яких вивчаються деякі з основних методів досліджень фізичних явищ механіки. До другого типу відносять лабораторні роботи, в яких досліджуються різноманітні механічні процеси та визначаються величини, що характеризують механічні властивості тіл.
При вивченні будови аналітичних терезів визначається їх чутливість, а також освоюються методи точного зважування, такі як методи Борда, Менделєєва та Гаусса.
   У лабораторній роботі з визначення густини твердих тіл студенти ознайомлюються з методикою використання пікнометра.
   У низці лабораторних робіт студенти експериментально визначають пружні сталі металів за пружним деформуванням зразків розтягуванням, згинанням та крученням, а також з використанням динамічно-акустичного методу.
   Використання оборотного фізичного маятника дає можливість досить точно визначити прискорення сили земного тяжіння. Закономірності коливального руху вивчається в лабораторних роботах з вивчення коливань зв’язаних систем та з визначення моменту інерції тіл різної геометричної форми з використанням крутильних коливань трифілярного підвісу.
   При виконанні лабораторної роботи, в якій використовується маятник Обербека, студенти експериментально досліджують основний закон обертального руху твердого тіла і ознайомлюються з такими поняттями: кутова швидкість і кутове прискорення, момент сили, момент інерції.
   Вивчення динамічних характеристик повітряного потоку здійснюється з використанням трубки Піто-Прандтля та з використанням рідинного мікроманометра.

Зміст Загального практикуму з молекулярної фізики

   У низці експериментальних лабораторних робіт, що виконуються на практикумі з молекулярної фізики, досліджуються явища перенесення: внутрішнє тертя рідин за методом капілярного віскозиметра та за методом Стокса, а також внутрішнє тертя газів – з використанням посудини Маріотта.
   При визначенні теплоємності твердих тіл студенти ознайомлюються з відомими методами дослідження: методом адіабатичного калориметра та методом охолодження.
   Показник Пуассона визначається з використанням традиційних і оригінальних методів Клемана та Дезорма та за залежністю швидкості звуку в повітрі, яку визначають за методом стоячих хвиль.
   Метод максимального тиску в бульбашці та метод вимірювання висоти підняття рідини в капілярах дають можливість визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.
   Використання кварцового дилатометра дає можливість визначити коефіцієнт лінійного розширення алюмінієвого сплаву.
   Явища випаровування та кипіння досліджуються при визначенні коефіцієнту дифузії та молярної маси пари рідини, що швидко випаровуєтеся, а також питомої теплоти випаровування за залежністю тиску насиченої пари від температури.
   Коефіцієнт теплопровідності твердих тіл визначається за методом створення градієнту температури.
   Керівництво практикумами з механіки та з молекулярної фізики здійснює старший викладач Скляр В’ячеслав В’ячеславович. Практикум обслуговують інженери 1 категорії: Сідоволоса Тетяна Олегівна, Невгасимов Олександр Олегович, Щиголєва Світлана Олександрівна, Бондаренко Наталія Михайлівна.

Зміст Загального практикуму з електрики та магнетизму

   Експериментальні лабораторні роботи з електрики та магнетизму згруповані в такі розділи: техніка і методики електричних вимірювань; вивчення законів електростатики; електричне поле у вакуумі; електропровідність рідин і газів; вивчення властивостей магнетиків (визначення магнітної сприйнятливості парамагнітної рідини; дослідження магнітних властивостей феромагнетику на зразках з різною геометричною формою); рух заряджених частинок у вакуумі під дією електричного та магнітного полів; вивчення властивостей напівпровідників (явищ на контакті двох різнорідних напівпровідників, дослідження ефекту Холла, температурної залежності їх електропровідності).
   Серед оригінальних лабораторних робіт практикуму слід відзначити такі: визначення питомого заряду електрона за методом магнетрона; вивчення роботи електронно-променевої трубки, газорозрядного стабілітрона тощо.
   Значно доповнює зміст практикуму лабораторні роботи, в яких вводяться елементи науково-дослідного характеру. Так, поряд із звичайним градуюванням струмових приладів з розширеною межею вимірювання, застосовується непрямий спосіб з використанням для визначення спаду напруги на еталонній котушці опору компенсаційних приладів – потенціометрів, для яких характерні висока точність вимірювань і незначне споживання енергії від вимірюваної ділянки кола.
   На практикумі з електрики та магнетизму низка лабораторних робіт виконується з використанням новітніх лабораторних установок, які були спеціально виготовлені для цього практикуму на основі оригінального комп’ютерного вимірювального комплексу «ІТМ лабораторія» вітчизняного виробництва, розробником якого є старший викладач кафедри Литвинов Ю.В.
   Керівництво роботою практикуму з електрики та магнетизму здійснює асистент Чурилов Ігор Георгієвич. Практикум обслуговують інженери 1 категорії Ільченко Ігор Петрович та Холодяєнко Володимир Іванович.

Зміст Загального практикуму з оптики

   За змістом експериментальні та віртуальні лабораторні роботи на оптичному практикумі розподілені на дві складові. Першою з них є лабораторні роботи з геометричної оптики, під час виконання яких студенти визначають показники заломлення скляних і кварцових пластинок, а також твердих кристалічних тіл у вигляді дрібних уламків і порошків з використанням відповідно оптичного і імерсійного методів дослідження, а також визначення фокусних відстаней лінз (скляних та лінзи Френеля).
   Друга (і основна) складова – це ті лабораторні роботи, в яких, в межах класичної хвильової оптики, досліджуються і вивчаються властивості та фізична природа світла, а також його взаємодія з речовиною.
   У низці лабораторних робіт експериментально досліджуються явища інтерференції, дифракції, поляризації світла, розповсюдження світла в анізотропних середовищах (подвійне променезаломлення, обертання площини поляризації), визначається оптична густина (барвників, розчинів), дисперсія показника заломлення скла, питома рефракція речовини.
З квантовими властивостям світла студенти ознайомлюються при вивченні фотоелектричного ефекту, принципу роботи фотодинатрона, газового та напівпровідникового лазерів, світлодіодів, принципу дії сучасних джерел світла (ртутної лампи низького та високого тиску, компактних люмінесцентних, світлодіодних та неонових ламп), а також при освоєнні методів якісного і кількісного спектральних аналізів металів і сплавів.
   Явище інтерференції світла з використанням традиційних і оригінальних методик ґрунтовно і всебічно досліджується і вивчається в таких лабораторних роботах: визначення довжини світлових хвиль за допомогою біпризми Френеля та кута між дзеркалами Френеля; визначення радіуса кривизни лінзи і довжини світлової хвилі із застосуванням приладу для спостереження кілець Ньютона; градуювання спектроскопа і визначення товщини тонких пластинок слюди при спостереженні максимумів і мінімумів, які утворилися в результаті інтерференції світла в цих пластинках (у відбитому світлі).
   Унікальна чутливість оптичних приладів, в яких використовується явище інтерференції світла, зокрема інтерферометра Релея, з принципом роботи якого студенти ознайомлюються під час виконання лабораторної роботи, дає можливість з високою точністю визначати показники заломлення газів. Слід зазначити, що зробити це, використовуючи звичайні методи рефрактометрії, неможливо, оскільки показники заломлення газів мало відрізняються від одиниці.
Явище дифракції світла на практикумі вивчається в таких різновидах: дифракція Френеля, що спостерігається під час поширення сферичних хвиль у середовищі з різкими неоднорідностями, і дифракція Фраунгофера, яка спостерігається під час поширення у ньому плоских хвиль.
   Використання гоніометра-спектрометра ГС-5 при виконанні лабораторних робіт дозволяє не тільки спостерігати явище дифракції, але й визначати порядок спектра, кут спостереження з великою точністю (до однієї секунди), сталу дифракційної решітки (прозорої та відбивної), довжини хвиль, кутову дисперсію та роздільну здатність решітки.
   Явище поляризації світла і оптичні явища, в яких істотну роль відіграє характер поляризації світла, досліджують і вивчають в кількох лабораторних роботах: закон Малюса, відбивання і заломлення світла на межі двох діелектриків; поляризаційний мікроскоп і його використання для визначення показників заломлення кристалів, в яких спостерігається явище подвійного променезаломлення; обертання площини поляризації оптично активними речовинами (кварцом, розчином цукру у воді) та оптично неактивною речовиною, що знаходиться в магнітному полі (ефект Фарадея).
   Керівництво роботою практикуму з оптики здійснює професор Пойда В.П. Практикум обслуговують інженери 1 категорії Летяго Любов Михайлівна та Зубенко Надія Сергіївна.

Зміст Загального практикуму з фізики атома, фізики ядра і елементарних частинок.

   За змістом експериментальні лабораторні роботи з атомної фізики розподілені на три складові. Першою з них є лабораторні роботи з «Визначення фундаментальних фізичних сталих». Друга складова – це виконання циклу робіт «Квантові властивості світла». Третій цикл робіт – «Дифракційні досліди з частками».
   У низці лабораторних робіт експериментально досліджуються розподіл інтенсивності рентгенівського випромінювання, відомості про структуру спектрів атомарного водню, явище електронного парамагнітного резонансу, будова кристалічних ґраток, фотоефект, ефект Комптона. Роботи, що входять до циклу робіт «Дифракційні досліди з частками» спрямовані на поглиблене засвоєння основних положень теорій Луї де Бройля, Шредінгера, Гайзенберга. Під час їх виконання студенти вивчають принцип дії та будову електронографа, одержують знання про дифракцію електронів та рентгенівських променів, а також освоюють деякі методи отримання та опрацювання електронограм і рентгенограм. Виконуючи роботи з вказаного циклу, студенти вчаться на практиці отримувати тонкі плівки металів, проводити їх електронографічне дослідження та робити певні висновки щодо особливостей їх структурних характеристик. Практичні навички роботи з апаратурою, знайомство з основами сучасних методів електронографії та рентгеноструктурного аналізу можуть бути використані студентами при подальшому поглибленому вивченні ними прецизійних методів досліджень структури твердого тіла на старших курсах.
   За змістом експериментальні лабораторні роботи з ядерної фізики та фізики елементарних частинок розподілені на три складові. Першою з них є лабораторні роботи з «Визначення фундаментальних фізичних сталих». Друга складова – це виконання циклу лабораторних робіт, що носить назву «Радіоактивний розпад». У третьому циклі робіт досліджується «Взаємодія g - променів з речовиною». У низці лабораторних робіт експериментально досліджуються природа a - та b - розпаду, проходження g - променів крізь речовину, статистичні закономірності, склад і властивості космічного випромінювання. Віртуальні лабораторні роботи з ядерної фізики та фізики елементарних частинок спрямовані на вивчення деяких розділів цього курсу з використанням комп’ютерних моделей.
Виконуючи роботи з вказаних циклів, студенти засвоюють первинні знання та одержують практичні навички щодо роботи з апаратурою, ознайомлюються з основами сучасних методів реєстрації частинок, які можуть бути використані ними при подальшому поглибленому вивченні спеціальних методів досліджень на старших курсах.
   Керівництво роботою практикумів з атомної фізики і з ядерної фізики та фізики елементарних частинок здійснює кандидат фіз.-мат. наук, доцент Дубовик Володимир Миколайович. Практикум обслуговує інженер 1 категорії Михайловський Олексій Васильович.

Зміст Практикуму з медичної та біологічної фізики
 

   У 2018 - 2019 навчальному році було введено для використання в навчальному процесі кафедри експериментальної фізики новітній Лабораторний практикум із медичної та біологічної фізики. Лабораторні установки, які були  спеціально виготовлені для цього практикуму на основі оригінального комп’ютерного вимірювального комплексу «ІТМ лабораторія» вітчизняного виробництва, розробником якого є старший викладач кафедри Литвинов Ю.В., дають можливість застосовувати для проведення навчальних експериментів комп’ютерні технології та засоби автоматизації вимірювань фізичних величин. Їх використання на лабораторному практикумі дає можливість підвищити точність вимірювань та зменшити витрати часу на рутинні операції з обробки результатів експерименту.
   Частина лабораторних робіт на практикумі є віртуальними. Вони проводяться з використанням інтерактивних моделей. Такий підхід застосовується у тому випадку, коли для проведення навчального експерименту необхідні коштовні матеріали, шкідливі або небезпечні речовини а також тоді, коли його підготовка вимагає великих витрат часу, або існують обмеження на натурний експеримент, який, наприклад, виконується із застосуванням живих організмів, радіоактивних препаратів тощо. Віртуальні інтерактивні моделі та відеозаписи експериментів на практикумі з медичної та біологічної фізики використовуються при проведенні інструктажу студентів щодо порядку виконання навчальних досліджень на лабораторних установках та при обговоренні і захисті їх результатів.
   Крім проведення досліджень із різних розділів загальної фізики студенти медичного факультету мають можливість дослідити деякі процеси, що відбуваються в організмі людини, вивчаючи їх кількісні характеристики. Серед них: пульсові хвилі в судинах, електричний імпеданс тканин людського організму, швидкість розповсюдження нервових імпульсів, швидкість реакції, параметри м’язів, легень тощо.
Керівництво роботою практикуму з медичної та біологічної фізики здійснює старший викладач Литвинов Ю.В. Практикум обслуговують інженер 1 категорії Бондаренко Наталія Михайлівна та старший лаборант Набойченко Ольга Сергіївна.