Лабораторная работа № 5 Определение коэффициента линейного расширения твердого тела

Теоретическая часть

Тепловое расширение - изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики, изучающий данное свойство, называется дилатометрией.

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Коэффициент теплового расширения — величина, характеризующая относительную величину изменения объема или линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К, при постоянном давлении. В соответствии с этим различают:

1) коэффициент объёмного теплового расширения

, К ^-1 — относительное изменение объёма тела при нагревании его на одни Кельвин.

2) коэффициент линейного теплового расширения, показывающий относительное изменение длины тела при нагревании на один Кельвин:

, К ^-1.

В общем случае, коэффициент линейного теплового расширения может быть различен при измерении вдоль разных направлений: α_x, α_y, α_z. Для изотропных тел α_x = α_y = α_z и β = 3α;.

Например, вода имеет коэффициент объёмного расширения около 10^-3 К^-1. Для железа коэффициент линейного расширения равен 10^-5 К^-1.

Вопросы

1. Что называется тепловым расширением тел?

2. Какие два вида теплового расширения применимы для твердых тел?

3. Что называется коэффициентов линейного расширения твердых тел?

4. Привести формулу для вычисления коэффициента линейного расширения. Каковы его единицы измерения?

5. Почему линейное расширение не применимо к жидкостям?

Цель работы: экспериментально определить коэффициент линейного расширения твердого тела.

Оборудование: прибор для определения коэффициента линейного расширения, индикатор, парообразователь с резиновым шлангом, электроплитка, термометр, линейка.

Теория. Дать определение:

- теплового расширения твердых тел; - линейного расширения твердых тел; - коэффициента линейного расширения твердого тела.

Ход работы

1. Продеть трубку из испытуемого материала в соответствующие отверстия на стойках. С помощью стопорного винта закрепить один конец трубки.

2. Измерить начальную длину трубки при комнатной температуре от середины стопорного винта до ближайшей к нему стороны пластины на трубке и считать ее равной l_0.

3. Закрепить индикатор и установить его на начало отсчета.

4. Измерить комнатную температуру и выразить ее в единицах СИ.

5. Надеть на конец металлической трубки (со стороны стопорного винта) резиновую трубку парообразователя, включить плитку.

6. После того как из свободного конца металлической трубки станет сильной струей выходить пар, отсчитать по красной шкале индикатора величину абсолютного удлинения трубки. (Цена деления шкалы 0,01 мм)

7. Определить конечную температуру трубки, приняв ее равной температуре пара (температура кипения воды при нормальных условиях).

8. Вычислить коэффициент линейного расширения вещества трубки.

.

9. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу

   №п/п	Материал трубки	Первоначальная длина стержня, l0, м	Абсолютное удлинение стержня Δl = 0.01мм·n	Начальная температура трубки, Т0, К	Конечная температура трубки, Т,К	Изменение температуры трубки, ΔТ, К	Коэффициент линейного расширения, αопыт, К-1	Относительная погрешность, δ,%

10. Сравнив полученный результат с табличным значением искомой величины, определить абсолютную и относительную погрешность.

11. Запишите ответ в установленной форме и сделайте вывод.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Измениться ли результат лабораторной работы, если полую металлическую трубку заменить на металлический сплошной стержень из того же материала?

2. Почему между рельсами железной дороги оставляют промежутки в стыках, а для трамвайных рельсов этого не делают?

Тест

1. Если железный винт ввинтить в медную гайку и вместе с гайкой охладить, то вывинтить его почти не возможно. Почему?

А.Между молекулами меди и железа действуют силы межмолекулярного притяжения.

Б.Медь и железо при охлаждении сжимаются одинаково хорошо и медная гайка плотно охватывает винт.

В.Медь при охлаждении сильнее сжимается, чем железо и гайка плотно охватывает винт.

Г.Железо при охлаждении сжимается сильнее меди.

2. Для электродов электрической лампочки используют сплав платинид, расширяющийся при нагревании так же как стекло. Можно ли платинид заменить медью?

А.Можно. Медь и стекло расширяются одинаково.

Б.Нельзя, медь расширяется лучше стекла и стеклянный столбик, содержащий электроды разрушится.

В.Медь является очень хорошим проводником электрического тока. Можно.

Г. Нельзя. Медь нагревается и плохо расширяется.

3. При повышении температуры биметаллическая пластинка должна разомкнуть электрическую цепь. Укажите, какая часть пластинки – медь, какая - сталь.

А.Медь внизу.

Б.Медь вверху.

В.Сталь внизу.

Г.Цепь при нагревании не разомкнется, т.к. медь и сталь имеют одинаковые коэффициенты линейного расширения.

4. Почему точные лекала изготовляют не из обычной, а из железоникелевой стали – инвара?

А.При некоторых колебаниях температуры размеры лекала изменяются и оно может покоробиться.

Б.При нагревании лекала из инвара лучше расширяются, чем из обычной стали.

В.Инвар имеет малый коэффициент линейного расширения и при небольших колебаниях температуры размеры лекала практически не изменяются.

Г. Инвар не подвергается коррозии.

5. Железнодорожная цистерна вместила 50 м³ нефти. Какой будет разница в объеме нефти, если погружали ее в Баку при температуре 20 ^оС, а разгружали ее в Архангельске при 0 ^оС?

А.100 м³.

Б.0,01 м³.

В.51 м³.

Г.1 м³.

Лабораторная работа № 6

Определение электрической ёмкости конденсатора

Теоретическая часть

Конденсатор – устройство из двух изолированных проводников. Проводники конденсатора называются пластинами или обкладками. Обычно расстояние между пластинами много меньше их собственных размеров, и пластины несут равные по величине заряды противоположных знаков. В этом случае модуль q заряда каждой из пластин называют зарядом конденсатора. Заметим, что суммарный заряд пластин при этом равен нулю.

В демонстрационных опытах в качестве примера конденсатора используются два круглых диска на подставках из диэлектрика (рис. 1).

Рис. 1

Плоский конденсатор – модель конденсатора, состоящая из двух параллельных пластин одинаковой формы, расположенных друг напротив друга. Расстояние d между пластинами мало: d ² << S, где S – площадь каждой пластины. Пространство между обкладками полностью или частично может быть заполнено диэлектриком.

Величина, равная отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его пластинами,

C = .

называется электрической емкостью конденсатора. В СИ электроемкость выражается в фарадах (Ф), 1Ф = 1 Кл/1В. Для плоского конденсатора

Емкость конденсатора определяется только геометрией пластин, расстоянием между ними и средой между пластинами.

Слово конденсатор происходит от латинского корня, означающего «сгущать» или «накапливать». Это свойство конденсатора используется в работе фотовспышки, импульсного лазера и др. Конденсатор сначала медленно накапливает энергию разделенных зарядов, а затем ее высвобождает за короткое время вспышки (0,001с) электролампы. Конденсаторы используются в большинстве электротехнических и радиотехнических устройств.

Рис. 2. Принцип действия некоторых моделей клавиатур для компьютера основан на изменении емкости конденсатора при нажатии клавиши.

Конденсаторы незаменимы в радиопередатчиках и радиоприемниках, компьютерах и др. (рис. 2). Современные конденсаторы в зависимости от предназначения могут иметь самую разную конструкцию и форму (рис. 3).

Рис. 3

В качестве конденсаторов могут, например, использоваться пористые металлы, погруженные в раствор, послойное напыление металлов и диэлектриков, контакты полупроводниковых материалов.

Вопросы:

1. Дать определение конденсатора.

2. Как устроен конденсатор?

3. Как определить электрическую ёмкость плоского конденсатора?

4. Какие величины влияют на электрическую ёмкость плоского конденсатора?

5. Постройте график зависимости емкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами.

6. Если электрический заряд каждой из обкладок конденсатора увеличить в n раз, то как изменится его электроемкость?

7. Если разность потенциалов между обкладками конденсатора уменьшить в n раз, то его электроемкость...

8. Один раз в заряженный и отключенный от батарейки плоский конденсатор вводят стеклянную пластину, заполняющую все пространство между обкладками, второй раз, не вводя пластины, раздвигают его обкладки. Напряженность поля в пространстве между пластинами...

9. Перечислите области применения конденсаторов.

10. Какова энергия электрического поля конденсатора ёмкостью 20 мкФ при напряжении 10 В?

11. Какова разность потенциалов между обкладками конденсатора ёмкостью 2000 пФ, если заряд конденсатора равен 4 нКл?

Цель работы: опытным путем научиться определять электроемкость конденсатора постоянной емкости.

Оборудование: источник электрической энергии, миллиамперметр, конденсатор известной емкости (1-6 мкФ), конденсатор неизвестной емкости, двухполюсной переключатель, соединительные провода.

Теория. Дать определение:

- конденсатора; - электрической емкости.

Ход работы

1. Cоставить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке. В цепи установить конденсатор известной емкости.

2. Конденсатор зарядить, для этого соединить его переключателем на короткое время с источником электрической энергии.

3. Сосредоточив внимание на миллиамперметре, быстро замкнуть конденсатор на измерительный прибор и определить число делений, соответствующее максимальному отклонению стрелки.

4. Опыт повторить для более точного определения числа делений (если результаты будут разными, то для отчета взять среднее значение). Найти отношение найденного количества делений к емкости взятого конденсатора С.

5. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.

   № опыта	Известная емкость конденсатора, С, мкФ	Число делений по шкале миллиамперметра, n (nx)	Отношение числа делений к известной емкости конденсатора, k	Полученная емкость неизвестного конденсатора, Сх, мкФ	Относительная погрешность изменений, δ, %

6. Опыт повторить с конденсатором неизвестной емкости. Определить в этом случае число делений n_x и найти емкость конденсатора из соотношения.

.

7. Зная истинное значение емкости исследуемого конденсатора, определить относительную погрешность. Результат записать таблицу.

8. Записать ответ и вывод по работе.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Объяснить, можно ли соотношение прочесть так: емкость конденсатора прямо пропорциональна его заряду и обратно пропорциональна напряжению на его обкладках?

2. От чего и как зависит емкость простейшего конденсатора? Запишите формулу электрической емкости плоского конденсатора.

Тест

1. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

NH_2004_16O_A005

Емкость конденсатора – это:

а) объем пространства между пластинами,

б) суммарный объем его пластин,

в) отношение суммарного заряда на пластинах к разности потенциалов между пластинами,

г) отношение модуля заряда на одной пластине к разности потенциалов между пластинами,

д) отношение модуля заряда на одной пластине к объему пространства между пластинами.

вапавпвапнгг

2. Как изменится электрическая ёмкость плоского конденсатора при увеличении расстояния между его обкладками в 4 раза?

А. Увеличится в 4 раза.

Б. Увеличится в 16 раз.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 2 раза.

Д. Уменьшится в 4 раза.

3. Как изменится электрическая ёмкость плоского конденсатора при увеличении в 2 раза площади его пластин и введения между обкладками диэлектрика с диэлектрической проницаемостью равной 2? Расстояние между пластинами не меняется.

А. Увеличится в 2 раза.

Б. Увеличится в 4 раза.

В. Не изменится.

Г. Уменьшится в 2 раза.

Д. Уменьшится в 4 раза.

4. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

NH_2004_16O_A006

Зависимость емкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами правильно показана на графике...

а) б) в) г)

5. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

MO_2002_18T_A001

Если электрический заряд каждой из обкладок конденсатора увеличить в n раз, то его электроемкость...

а)

увеличится в n раз,

б) уменьшится в n раз,

в) не изменится,

г) увеличится в n² раз.

6. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов

NH_2004_16O_A010

Энергия, запасенная в заряженном конденсаторе, используется в следующих устройствах:

а) фотовспышка,

б) CD-диск,

в) радиоантенна.