Перелік лабораторних робіт з фізики
|
№
п/п
|
Назва лабораторних робіт
|
Кількість годин
|
|
|
Дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта
|
2
|
|
|
Визначення абсолютної і відносної вологості повітря
|
2
|
|
|
Визначення модуля пружності гуми
|
2
|
|
|
Порівняння молярних теплоємностей металів
|
2
|
|
|
Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму
|
2
|
|
|
Визначення питомого опору провідника
|
2
|
|
|
Дослідження залежності потужності та ККД джерела струму від його навантаження
|
2
|
|
|
Спостереження дії магнітного поля на струм
|
2
|
|
|
Визначення температурного коефіцієнту опору міді
|
2
|
|
|
Визначення заряду електрона
|
2
|
|
|
Визначення кількості витків в обмотках трансформатора
|
2
|
|
|
Визначення показника заломлення скла
|
2
|
|
|
Спостереження явища інтерференції світла
|
2
|
|
|
Вимірювання довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки
|
2
|
|
|
Визначення оптичної сили та фокусної відстані вбираючої лінзи
|
2
|
|
|
Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями
|
2
|
|
|
Лабораторна робота №1 (2 години)
Тема Дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта
1 Мета роботи: дослідити, як змінюється обєм повної маси газу (при сталій температурі) із зміною тиску, і встановити співвідношення між ними.
2 Прилади і обладнання:
Скляний циліндр висотою 40 см з водою (або мензурка)
Скляна трубка довжиною 40-50 см, закрита з одного кінця
Вимірна лінійка з міліметровими поділками
Барометр БР - 52 (один на групу)
Штатив універсальний
Загальні теоретичні положення
Для опису властивостей газів користуються трьома макропараметрами, які однозначно визначають стан газу та знаходяться простим вимірюванням за допомогою приладів, це тиск - p, абсолютна температура - T і обєм газу - V. Значення таких величин визначається спільною дією великої кількістю молекул, тому їх називають макроскопічними (від грецького `макрос - великий ). Тиск вимірюють барометром, температуру - термометром, а обєм - лінійкою або мензуркою.
Процес у газі, який відбувається при постійній температурі (T=const), називають ізотермічним, а його графік - ізотермою. Залежність між тиском p газу і його обємом V при постійній температурі дослідним шляхом вперше встановили Р. Бойль і Є. Маріотт.
Закон Бойля-Маріотта визначає те, що якщо маса газу у системі не змінюється (замкнена система), то добуток тиску газу на його обєм є постійна величина для будь-якого стану газу при ізотермічному процесі:
(1)
Це означає, що при зменшенні обєму газу тиск зростає, а при його збільшенні тиск спадає. При ізотермічному стисканні газу його частинкам надається менший обєм і, тому, вони частіше стикаються зі стінками посудини, що призводить до збільшення тиску газу. При ізотермічному розширенні газу все відбувається навпаки.
При врахуванні закону Менделєєва-Клайперона для будь-якої кількості станів ідеального газу для ізотермічного процесу справедливо:
(2)
Для будь-яких двох станів газу (початкового і кінцевого) закон Бойля-Маріотта має такий вигляд:
(3)
Закон Бойля-Маріотта можна перевірити за допомогою обладнання.
Опустити відкритим кінцем вниз трубку у скляний циліндр висотою 40 см з водою (малюнок 1) і закріпити її у штативі. Повітря в трубці буде під тиском, який дорівнює атмосферному H плюс гідростатичний тиск стовпчика води висотою h. (Для спрощення розрахунку атмосферний тиск і тиск стовпчика води доцільно вимірювати в мм рт. ст.).
Густина води в 13,6 рази менша за густину ртуті, тому стовпчик висотою h мм створює такий самий тиск, як стовпчик ртуті висотою мм.
Повітря в трубці буде під тиском:
,(4)
де Н - атмосферний тиск, виражений в мм рт. ст.;
h - різниця рівнів води, виміряна в мм, у циліндрі і в трубці (малюнок 1).
Обєм повітря в трубці визначається за формулою:
, (5)
де L - довжина стовпчика повітря, мм рт. ст. (малюнок 1);
S - площа поперечного перерізу повітряного стовпчика в трубці, м2.
Із зміною глибини занурення трубки змінюється обєм V повітряного стовпчика в трубці ( і L - довжина стовпчика повітря) і, відповідно, тиск p повітря в ній.
Закон Бойля-Маріотта
,(6)
де , , (7)
, (8)
Оскільки площа поперечного перерізу повітряного стовпчика S є стала величина (форма трубки не змінюється), то формулу (6) перепишемо так:
(9)
Тому, числове значення L можна прийняти за значення V в умовних одиницях.
Порядок виконання роботи
Виміряйте барометром атмосферний тиск Н в мм рт. ст.. ( Під таким тиском знаходиться повітря в трубці до її занурення у воду ).
Опустіть у воду трубку відкритим кінцем вниз на максимальну глибину. Виміряйте довжину стовпчика L повітря в трубці і різницю рівнів води в ній і в циліндрі - h. Щоб зручніше було визначити довжину стовпчика L повітря в трубці, один раз виміряйте лінійкою довжину трубки, яку занурюєте в воду, та віднімайте від цього значення довжину стовпчика води, що в ній знаходиться у нижній її частині.
Повторіть вимірювання L і h для двох менших глибин занурення трубки;
Обчисліть добутки за формулою:
(10)
для всіх трьох дослідів, порівняйте їх між собою, зробіть висновок;
Визначте середнє значення з трьох значень за формулою:
; (11)
Обчисліть абсолютну похибку вимірювань за формулою:
(12)
для всіх трьох дослідів;
Обчисліть середню абсолютну похибку вимірювань за формулою:
(13)
для всіх трьох значень;
Визначити відносну похибку ? вимірювань за формулою:
; (14)
Результат записати у вигляді:
; (15)
Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю 1.
Таблиця 1 - Підсумки досліджень
|
|
№
п/п
|
Н
(мм рт. ст.)
|
h
(мм рт. ст.)
|
L
(мм)
|
(мм рт. ст.* мм)
|
( ... )
|
(мм рт. ст.* мм)
|
( ... )
|
(%)
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольні запитання
Чому під час досліду не слід тримати трубку рукою?
Від чого залежить стала С в законі Бойля-Маріотта?
Чи є формула законом Бойля-Маріотта у іншому вигляді?
Чи має у досліді істотне значення для підтвердження закону площа поперечного перерізу трубки?
Яке співвідношення між 1 мм рт. ст. і 1 Па?
На малюнку 2 в осях V і P зображений процес зміни стану газу. Відобразіть ці зміни стану газу в осях Т і V.
5.7 Обєм повітря у циліндрі зменшили у 5 разів, різко опустивши поршень. Чи можна вважати, що тиск газу у циліндрі збільшився у 5 разів, а температура залишилася сталою?
5.8 Знайти температуру азоту (N2) масою 100 г, при якої протікає ізотермічний процес, якщо добуток тиску на обєм дорівнює 11,87 кПа•м3.
Молекулярна маса молекули азоту Mr дорівнює 28 а.о.м.
5.9 Чи є процес ізотермічний, якщо газ, який був у початковому стані при нормальних умовах ( р1 = ратм = 105 Па, t1=20 0C ) і його обєм
V1 = 1л, перевели у стан з макропараметрами р2 = 2•105 Па, V2 =5•10-4 м3?
Висновки
Оформлення звіту
Лабораторна робота №2 (2 години)
Тема Визначення модуля пружності гуми
1 Мета роботи: експериментально перевірити закон Гуку і визначити модуль пружності гуми.
2Прилади і обладнання:
Гумова смужка довжиною 20-30 см з дротяною петелькою на одному кінці
Динамометр лабораторний на 4Н
Вимірна лінійка з міліметровими поділками
Штангенциркуль
Штатив універсальний
Загальні теоретичні положення
Тверді тіла здаються нам ззовні суцільними та сполошними, але вони складаються з впорядковано розташованих і взаємодіючих між собою молекул або атомів, між якими існують проміжки. При прикладанні до твердого тіла механічного зусилля змінюються відстані між молекулами (атомами) і тому змінюється форма твердого тіла. При стисканні твердого тіла відстані між молекулами (атомами) зменшуються, а при розтягуванні - збільшуються. Деформація твердого тіла - це зміна його форми при прикладанні до нього зовнішньої сили. Види деформацій : розтягування, стискання, згинання, кручення, сдвиг.
Між молекулами (атомами) одночасно діють сили притягування і відштовхування, При стисканні твердого тіла переважають сили відштовхування, а при розтягуванні - сили притягування. Сила пружності, що виникає у тілі при його деформації, дорівнює по модулю і протилежна за напрямком до зовнішньої сили, яка спричинила цю деформацію. Отже, стиснуте або розтягнуте тіло, після зняття зовнішньої нагрузки під дією сили пружності, намагається прийняти початкову форму, що була до деформації.
При піднятті груза лебідкою трос розтягується, довжина троса збільшується від початкового значення L0 до кінцевого значення L, тобто, його довжина збільшується на величину ?L= L- L0 , яка називається абсолютній деформацією. Відносна деформація визначається за формулою
? =(L-L0)/L0.
Сила пружності Fпр, що виникає у деформованому тілі, тим більша, чим більше змінюється його лінійний розмір ?L, наприклад, його довжина. Тобто, між двома величинами існує пряма пропорційність: Fпр ~ ?L. Те саме можна записати рівнянням: Fпр = k*?L, де k - коефіцієнт пропорційності (жорсткість тіла), значення якого є різним для різних речовин. Останнє рівняння називається законом Гука.
Якщо деформоване тіло після зняття зовнішньої нагрузки приймає початкову форму, що була до деформації, то деформація називається пружною (сталь, резина). Якщо ні, - то деформація називається пластичною (непружною), тобто, існує залишкова деформація (мідь, віск).
Форму циліндричного твердого тіла можна описати його довжиною L та площею S поперечного перерізу, які можуть змінюватись при прикладанні зовнішньої сили F.
Механічна напруженість ? - це є відношення зовнішньої силиF, що деформує тверде тіло, до його площі S поперечного січення:
, (1)
Також механічна напруженість ? прямо пропорційна відносній деформації тіла ?: ? ~ ? , що записуємо рівнянням:
, (2)
де Е - коефіцієнт пропорційності, який називається модулем пружності
речовини (модуль Юнга), Па.
Прирівнявши 1 і 2 формули і врахувавши, що ? = ?L/L0 отримаємо формулу Гука у іншому вигляді:
, (3)
звідси, (4)
де Е - модуль пружності речовини (модуль Юнга), з якої складається деформоване тіло, Па;
F- сила, яка розтягує гумову смужку, Н;
L0 - початкова довжина гумової смужки, м;
?L= L- L0 - зміна довжини гумової смужки (абсолютна деформація), м;
L - кінцева довжина гумової смужки, м;
S - площа поперечного перерізу гумової смужки, м2.
Якщо виміряти F, L0, S, ?L, можна визначити модуль пружності Е.
Порядок виконання роботи
За допомогою штангенциркуля виміряйте ширину а і товщину b поперечного перерізу гумової смужки і обчисліть його площу S за формулою .
Закріпіть вільний кінець гумової смужки в штативі і виміряйте її початкову довжину L0 від нижнього краю лапки штатива до петлі (малюнок 2).
4.2 Зачепіть гачок динамометра за дротяну петлю і розтягуйте гуму. Виміряйте силу пружності F, яка виникає від розтягу ?L гуми на 5, 10, 15, 20, 25, 30 см.
4.3 Дані вимірів запишіть у таблицю 1.
4.4 За даними розтягу побудуйте графік залежності розтягу ?L гуми від прикладеної сили F, відклавши по осі x - F, а по осі y - ?L.
4.5 Виділіть на графіку прямолінійну ділянку і в межах цієї ділянки обчисліть за формулою (2) модуль пружності Е для трьох, чотирьох значень.
4.6 Обчисліть середнє значення модуля пружності Еср за розрахованими значеннями модуля пружності Е, що відповідають на графіку прямолінійній ділянці.
4.7 Розрахуйте абсолютну похибку ?Е, середнє значення абсолютній похибки ?Еср і відносну похибку ? за формулами:
, , , (5)
4.8 Запишіть результати у вигляді:
Таблиця 1 -
Дані вимірювань
|
|
№
|
Довжина гумової смужки,
L0,, (м)
|
Розтяг
гумової смужки
?L, (м)
|
Площа
поперечного перерізу,
S , (м2)
|
Сила, яка викликає розтяг,
F , (Н)
|
Модуль пружності Е, (Па)
|
Еср , (Па)
|
?Е, (Па)
|
?Еср, (Па)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольні запитання
Які види деформації відбуваються у тросі підйомного крану, стінах будинку, у мості, корпусі підводного човна, батискафа, стволі дерева у вітряну погоду, у свердлику, у валі токарного станку?
Чим відрізняються деформації пластиліну, воску, свинцю від деформації гуми, сталі?
На тіло у двох паралельних площинах діють протилежно напрямлена пара сил. Який вид деформації випробує тіло?
Бетон добре протидіє стиканню, але погано витримує розтяг. Сталь має велику міцність на розтяг. Які властивості має залізобетон?
Якщо для дослідів взяти гумову смужку з більшим поперечним перерізом, то чи зміниться значення модуля пружності? А якщо смужка буде довша? Що характеризує модуль пружності?
Чому для визначення модуля пружності треба брати значення сили у межах прямолінійної ділянки графіка?
У скільки разів абсолютний розтяг мідної дротини більше ніж залізної (?L1 /?L2 -?),якщо (L01 = L02 і S01 = S02) і діють на них однакові розтягуючи сили ( F1 = F2 )? ( Використовуйте таблицю модулів пружності різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р. А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 376).
Лабораторна робота №3 (2 години)
Тема Порівняння молярних теплоємкостей металів
1 Мета роботи: дослідним шляхом перевірити закон П.Л. Дюлонга і А.Г. Пті.
2Прилади і обладнання:
Алюмінієве, мідне і залізне тіла, масою 50-100 г
Калориметр
Термометр
Посуд з водою
Електроплитка
Важелі з важками
Мензурка (одна на всіх)
Загальні теоретичні положення
Молекули і атоми різних речовин перебувають у безперервному хаотичному (невпорядкованому) русі. У твердих тілах вони коливаються навколо положень рівноваги, тобто, вліво - вправо, вверх - вниз, вперед - назад та в різних напрямках. Це обумовлено існуванням у твердих тілах кристалічної решітки. У рідинах молекули та атоми рухаються коливально - обертально, тому що стикаються між собою та хаотично рухаються навколо один одного. У газах молекули та атоми рухаються поступально, а після зіткнення один з одним змінюють напрямок руху.
При нагріванні речовини збільшуються інтенсивність і середня швидкість руху молекул та атомів, але це відбувається для різних речовин по різному. Одна речовина швидше нагрівається, ніж інша, тому що вони мають різні маси у молекул, різні сили взаємодії між молекулами, атомами.
Температура є макропараметром, який характеризує інтенсивність руху великої кількості молекул, атомів. Чим більша температура - тим більші середні швидкості руху молекул та атомів і більша внутрішня (теплова) енергія тіла.
При теплообміні більш нагріте тіло (електроплита) передає теплову енергію менш нагрітому тілу (чайнику з водою). Або теплообмін відбувається між двома тілами з різними початковими температурами: у більш нагрітого тіла температура зменшується, а у менш нагрітого тіла температура збільшується. Коли їхні температури зрівняються, теплопередача зупиняється і наступає теплова рівновага.
Щоб визначити кількість теплоти Q, яку потрібно надати тілу масою m для його нагрівання від температури t1 до температури t2 використовують формулу:
, (1)
Питома теплоємкість речовини с - це кількість теплоти, яку надають тілу масою 1кг для його нагрівання на 1 0С.
Молярна теплоємкість речовини С - це кількість теплоти, яку надають тілу, яке складається з 6,02 1023 штук молекул або атомів ( це відповідає кількості речовини ? = 1 моль ) для його нагрівання на 1 0С.
Теплоємкість одного моля речовини називають його молярною теплоємкістю.
Молярна теплоємкість звязана з питомою теплоємкістю тої самої речовини:
, (2)
де М - молярна маса твердих речовин, ;
С - молярна теплоємкість твердих речовин, ;
с - питома теплоємкість твердих речовин, ;
Для твердих речовин молярні теплоємкості при постійному тиску Ср і при постійному обємі СV однакові, тому говорять просто про питому теплоємкість.
Як було встановлено П.Л. Дюлонгом і А.Г. Пті, молярна теплоємкість твердих одноатомних тіл майже однакова і дорівнює:
, (3)
де R= 8,31 - універсальна газова стала.
Закон Дюлонга і Пті є дійсним для твердих одноатомних тіл для достатньо високих температур. Для більшості тіл такою високою температурою є вже кімнатна температура.
Для деяких тіл з малою атомною масою, наприклад, берилію, бора, вуглецю (структури алмазу), молярну теплоємкість можна визначити і при високих температурах за законом Дюлонга і Пті. Навпаки, при охолоджені, для всіх тіл закон Дюлонга і Пті не дає точне визначення молярної теплоємкості, тобто, є відходження від закону.
При охолодженні теплоємкість всіх тіл зменшується. Ці твердження теорії можна перевірити. Для цього достатньо визначити кількість теплоти Q, яку віддає тверде тіло з відомими масами m і M при охолодженні в інтервалі температур ?Т і скористатися формулою 5.
Калориметр складається з двох металевих циліндричної форми посудин, вставлених одна в одну. Велика посудина стоїть на деревяній підставці, а менша посудина стоїть на деревяній хрестовині. Відомо, що дерево і повітря погано проводять тепло, що заважає теплообміну з навколишнім середовищем.
Порядок виконання роботи
4.1 Визначте за допомогою терезів і важків масу калориметра mк і маси m мідного, залізного і алюмінієвого тіл.
4.9 Опустіть тіло в посуд з киплячою водою.
4.10 За допомогою мензурки виміряйте і налийте у калориметр 100 мл води при кімнатній температурі. Виміряйте термометром початкову температуру води і калориметра t1.
4.11 Опустіть у калориметр тіло, нагріте до температури 100?С, і визначте температуру t2 у калориметрі після встановлення теплової рівноваги між тілом, водою і калориметром.
4.12 З рівняння теплового балансу обчисліть кількість теплоти Q, яке передало тіло калориметру і воді.
, (4)
де ск - табличне значення питомої теплоємкості калориметра, ;
св - табличне значення питомої теплоємкості води, ;
t1 - початкова температура води і калориметра, 0С;
t2 - кінцева температура води, калориметра і металевого тіла, 0С;
mк - маса калориметра, кг;
mв - маса води у калориметрі, кг.
ск=500; св=4200.
4.13 Обчислюємо молярну теплоємкість тіла, використовуючи вираз:
,(5)
де М - молярна маса металевого тіла, ;
m - маса металевого тіла, кг;
?t = 100 - t2 - на стільки зменшилася температура тіла при теплообміні у калориметрі, 0С.
Результати вимірювань і обчислень записуємо у звітну таблицю 1.
Таблиця 1
Звітна таблиця
|
|
№
|
Речовина
металевого тіла
|
Маса тіла, (кг)
|
Маса калориметра, (кг)
|
Маса води у калориметрі, (кг)
|
Початкова температура води t1, (0С)
|
Температура у калориметрі після занурення тіла t2, (0С)
|
Кількість теплоти, переданої тілом, Q (Дж)
|
Зміна температури тіла ?t=100-t2, (0С)
|
Молярна маса речовини
М, (кг/моль)
|
Молярна теплоємкість речовини С, Дж/(моль·К)
|
|
|
Мідь (Cu)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Залізо (Fe)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюміній
(Al)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.14 Аналогічні вимірювання і обчислення виконуємо для алюмінієвого і залізного тіл.
4.15 Оцінити відносну похибку ? виконаних вимірювань.
Визначте, чи є різниця між результатами досліду і теорією за формулою 6:
,(6)
,(7)
де С - молярна теплоємкість, що визначена дослідним шляхом;
СT - теоретична молярна теплоємкість.
Контрольні запитання
Що називають питомою теплоємкістю речовини?
Залізу чи воді однакових мас потрібно надати більше теплової енергії, щоб їх підігріти на 1 0С? ( Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р. А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 376)
Чому калориметр має дві посудини? Чи буде звичайний термос для зберігання гарячого чаю або охолодженої води ідеальним калориметром для проведення цього досліду? Чому?
Навіщо корпус (посудину) сучасного електрочайника для нагрівання води зроблено з пластмаси, а не з заліза? Як це впливає на коефіцієнт корисної дії (ККД) електроприладу?
Що швидше нагріється від 0 0С до 100 0С - 1 кг води, чи 4 кг заліза від одного і того самого нагрівника? (Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин)
Чому вдень вода холодніше суши, а вночі - навпаки?
Як записується рівняння теплового балансу для випадку теплопередачі?
Яка приладна похибка кожного приладу, який був використаний у роботі?
На чому засновано метод вимірювання температури?
Висновки
Оформлення звіту
Лабораторна робота №4 (2 години)
Тема Порівняння молярних теплоємкостей металів
1 Мета роботи: дослідним шляхом перевірити закон П.Л. Дюлонга і А.Г. Пті.
2Прилади і обладнання:
Алюмінієве, мідне і залізне тіла, масою 50-100 г
Калориметр
Термометр
Посуд з водою
Електроплитка
Важелі з важками
Мензурка (одна на всіх)
Загальні теоретичні положення
Молекули і атоми різних речовин перебувають у безперервному хаотичному (невпорядкованому) русі. У твердих тілах вони коливаються навколо положень рівноваги, тобто, вліво - вправо, вверх - вниз, вперед - назад та в різних напрямках. Це обумовлено існуванням у твердих тілах кристалічної решітки. У рідинах молекули та атоми рухаються коливально - обертально, тому що стикаються між собою та хаотично рухаються навколо один одного. У газах молекули та атоми рухаються поступально, а після зіткнення один з одним змінюють напрямок руху.
При нагріванні речовини збільшуються інтенсивність і середня швидкість руху молекул та атомів, але це відбувається для різних речовин по різному. Одна речовина швидше нагрівається, ніж інша, тому що вони мають різні маси у молекул, різні сили взаємодії між молекулами, атомами.
Температура є макропараметром, який характеризує інтенсивність руху великої кількості молекул, атомів. Чим більша температура - тим більші середні швидкості руху молекул та атомів і більша внутрішня (теплова) енергія тіла.
При теплообміні більш нагріте тіло (електроплита) передає теплову енергію менш нагрітому тілу (чайнику з водою). Або теплообмін відбувається між двома тілами з різними початковими температурами: у більш нагрітого тіла температура зменшується, а у менш нагрітого тіла температура збільшується. Коли їхні температури зрівняються, теплопередача зупиняється і наступає теплова рівновага.
Щоб визначити кількість теплоти Q, яку потрібно надати тілу масою m для його нагрівання від температури t1 до температури t2 використовують формулу:
, (1)
Питома теплоємкість речовини с - це кількість теплоти, яку надають тілу масою 1кг для його нагрівання на 1 0С.
Молярна теплоємкість речовини С - це кількість теплоти, яку надають тілу, яке складається з 6,02 1023 штук молекул або атомів ( це відповідає кількості речовини ? = 1 моль ) для його нагрівання на 1 0С.
Теплоємкість одного моля речовини називають його молярною теплоємкістю.
Молярна теплоємкість звязана з питомою теплоємкістю тої самої речовини:
, (2)
де М - молярна маса твердих речовин, ;
С - молярна теплоємкість твердих речовин, ;
с - питома теплоємкість твердих речовин, ;
Для твердих речовин молярні теплоємкості при постійному тиску Ср і при постійному обємі СV однакові, тому говорять просто про питому теплоємкість.
Як було встановлено П.Л. Дюлонгом і А.Г. Пті, молярна теплоємкість твердих одноатомних тіл майже однакова і дорівнює:
, (3)
де R= 8,31 - універсальна газова стала.
Закон Дюлонга і Пті є дійсним для твердих одноатомних тіл для достатньо високих температур. Для більшості тіл такою високою температурою є вже кімнатна температура.
Для деяких тіл з малою атомною масою, наприклад, берилію, бора, вуглецю (структури алмазу), молярну теплоємкість можна визначити і при високих температурах за законом Дюлонга і Пті. Навпаки, при охолоджені, для всіх тіл закон Дюлонга і Пті не дає точне визначення молярної теплоємкості, тобто, є відходження від закону.
При охолодженні теплоємкість всіх тіл зменшується. Ці твердження теорії можна перевірити. Для цього достатньо визначити кількість теплоти Q, яку віддає тверде тіло з відомими масами m і M при охолодженні в інтервалі температур ?Т і скористатися формулою 5.
Калориметр складається з двох металевих циліндричної форми посудин, вставлених одна в одну. Велика посудина стоїть на деревяній підставці, а менша посудина стоїть на деревяній хрестовині. Відомо, що дерево і повітря погано проводять тепло, що заважає теплообміну з навколишнім середовищем.
Порядок виконання роботи
4.1 Визначте за допомогою терезів і важків масу калориметра mк і маси m мідного, залізного і алюмінієвого тіл.
4.16 Опустіть тіло в посуд з киплячою водою.
4.17 За допомогою мензурки виміряйте і налийте у калориметр 100 мл води при кімнатній температурі. Виміряйте термометром початкову температуру води і калориметра t1.
4.18 Опустіть у калориметр тіло, нагріте до температури 100?С, і визначте температуру t2 у калориметрі після встановлення теплової рівноваги між тілом, водою і калориметром.
4.19 З рівняння теплового балансу обчисліть кількість теплоти Q, яке передало тіло калориметру і воді.
, (4)
де ск - табличне значення питомої теплоємкості калориметра, ;
св - табличне значення питомої теплоємкості води, ;
t1 - початкова температура води і калориметра, 0С;
t2 - кінцева температура води, калориметра і металевого тіла, 0С;
mк - маса калориметра, кг;
mв - маса води у калориметрі, кг.
ск=500; св=4200.
4.20 Обчислюємо молярну теплоємкість тіла, використовуючи вираз:
,(5)
де М - молярна маса металевого тіла, ;
m - маса металевого тіла, кг;
?t = 100 - t2 - на стільки зменшилася температура тіла при теплообміні у калориметрі, 0С.
Результати вимірювань і обчислень записуємо у звітну таблицю 1.
Таблиця 1
Звітна таблиця
|
|
№
|
Речовина
металевого тіла
|
Маса тіла, (кг)
|
Маса калориметра, (кг)
|
Маса води у калориметрі, (кг)
|
Початкова температура води t1, (0С)
|
Температура у калориметрі після занурення тіла t2, (0С)
|
Кількість теплоти, переданої тілом, Q (Дж)
|
Зміна температури тіла ?t=100-t2, (0С)
|
Молярна маса речовини
М, (кг/моль)
|
Молярна теплоємкість речовини С, Дж/(моль·К)
|
|
|
Мідь (Cu)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Залізо (Fe)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюміній
(Al)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.21 Аналогічні вимірювання і обчислення виконуємо для алюмінієвого і залізного тіл.
4.22 Оцінити відносну похибку ? виконаних вимірювань.
Визначте, чи є різниця між результатами досліду і теорією за формулою 6:
,(6)
,(7)
де С - молярна теплоємкість, що визначена дослідним шляхом;
СT - теоретична молярна теплоємкість.
Контрольні запитання
Що називають питомою теплоємкістю речовини?
Залізу чи воді однакових мас потрібно надати більше теплової енергії, щоб їх підігріти на 1 0С? ( Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р. А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 376)
Чому калориметр має дві посудини? Чи буде звичайний термос для зберігання гарячого чаю або охолодженої води ідеальним калориметром для проведення цього досліду? Чому?
Навіщо корпус (посудину) сучасного електрочайника для нагрівання води зроблено з пластмаси, а не з заліза? Як це впливає на коефіцієнт корисної дії (ККД) електроприладу?
Що швидше нагріється від 0 0С до 100 0С - 1 кг води, чи 4 кг заліза від одного і того самого нагрівника? (Використовуйте таблицю питомих теплоємкостей різних речовин)
Чому вдень вода холодніше суши, а вночі - навпаки?
Як записується рівняння теплового балансу для випадку теплопередачі?
Яка приладна похибка кожного приладу, який був використаний у роботі?
На чому засновано метод вимірювання температури?
Висновки
Оформлення звіту
|
[