Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012

тановке переключателя 2 в режим «Count», фотодатчик фиксирует количество пересечений шариками луча фотодатчика. Количество пересечений отражается на дисплее 1. Для того, чтобы обнулить показания прибора, необходимо нажать клавишу «Set» 3. Конструкция установки позволяет легко перемещать фотодатчик по вертикали. Для измерения высоты фотодатчика удобнее всего воспользоваться шкалой, нанесенной на переднюю стеклянную стенку внутреннего пространства прибора, моделирующего тепловое движение. Таким образом, проводя измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика за равные промежутки времени на различной высоте, можно определить зависимость концентрации молекул идеального газа от высоты в поле тяжести Земли. Равные промежутки времени отсчитываются при помощи секундомера 3

(см. рис. 2.10.3).

Рис. 2.10.4

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1.При работе со стробоскопом соблюдать осторожность, не попадания света стробоскопа в глаза.

2.При перемещении фотодатчика вдоль кронштейна следить за тем, чтобы его плоскость была горизонтальна.

111

3. При подаче питания на прибор, моделирующий тепловое движение, напряжение увеличивать плавно.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Убедиться в том, что поршень прибора для моделирования теплового движения находится на высоте 150 мм, а переключатель фотодатчика установлен в положении «Count».

2.Включить стробоскоп и выставить на нем частоту ν1 = 70 Гц.

3.Осветить стробоскопом основание прибора для моделирования теплового движения и, регулируя напряжение на источнике, добиться кажущейся неподвижности основания. Выключить стробоскоп. При проведении измерений напряжение не изменять.

4.Поместить фотодатчик на высоте 15 мм (высота измеряется по нижней горизонтальной плоскости датчика).

115

230

2 45

……

……

5.Одновременно запустить секундомер и нажать кнопку «Set» на фотодатчике. Измерить количество пересечений шариками луча фотодатчика в течение 30 с (показания фотодатчика по прошествии 30 с). Результаты занести в табл. 2.10.1. Повторить измерения еще два раза.

6.Перемещая датчик по вертикали с шагом 15 мм, проводить измерения, описанные в п. 5, до тех пор, пока количество пересечений не станет меньше 30.

7. Провести измерения, описанные в пп. 2–6, для частоты ν2 = 90 Гц. Результаты занести в таблицу, составленную по образ-

цу табл. 2.10.1.

112

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Как уже было сказано, если количество пересечений на различных высотах измеряется в течение равных промежутков времени, то зависимость количества пересечений от высоты будет пропорциональна зависимости концентрации молекул от высоты. Из зависимости (2.10.4), полученной в теоретическом введении к работе, следует, что

ln N = const − mghkT ,

т.е. зависимость логарифма количества пересечений от высоты также должна быть линейной, а угловой коэффициент этой прямой

равен α = mgkT . Для построения графика необходимо вычислить

среднее значение количества пересечений на каждой высоте и его погрешность. Погрешность вычисляется методом Корнфильда

N = Nmax − Nmin .

2

Затем необходимо вычислить натуральный логарифм количества

ния занесите в табл. 2.10.1 и таблицу, построенную в п. 7 аналогично табл. 2.10.1. Постройте полулогарифмический график зависимости количества пересечений от высоты для каждой частоты. Убедитесь в том, что графики линейны.

Методом парных точек определите угловой коэффициент графика зависимости логарифма количества пересечений от высоты и его погрешность. Вычисления необходимо провести для обеих частот.

В силу того, что частота колебаний основания прибора моделирующего тепловое движение определяет температуру газа, то отношение угловых коэффициентов графиков должно быть равно обратному отношению частот.

Вычислите отношение угловых коэффициентов графика и его погрешность

113

ηэксп = α1 ,

α2

Вычислите теоретическое значение отношения угловых коэффициентов

ηтеор = ν2 .

ν1

Сравните экспериментальныеи теоретическиезначения.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты данной работы должны быть представлены в виде двух полулогарифмических графиков зависимости количества пересечений от высоты для частот ν1 = 70 Гц и ν2 = 90 Гц, а также

угловых коэффициентов этих графиков и экспериментального и теоретического значений отношения угловых коэффициентов. В заключении к работе должно быть проведено обсуждение формы графиков, обсуждение погрешности и сравнение теоретических и экспериментальных данных.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Можно ли проводить измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика на разных высотах в течение разного времени? Обоснуйте свой ответ.

2.На какой высоте нужно прекратить измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика?

3.Какой вид имеет зависимость логарифма количества пересечений от высоты?

4.Чему равен угловой коэффициент зависимости логарифма количества пересечений от высоты?

5.Как угловой коэффициент зависимости логарифма количества пересечений от высоты зависит от массы шариков? А от час-

114

тоты колебаний основания прибора для моделирования теплового движения?

6.Как распределены молекулы идеального газа в отсутствии внешних силовых полей?

7.При изменении температуры газа меняется ли давление газа на нулевой высоте? А концентрация молекул?

8.Что происходит с концентрацией газа на нулевой высоте при уменьшении температуры?

9.Какой эффект используется для определения частоты колебаний основания прибора, моделирующего тепловое движение молекул?

10.Каким образом в данной работе можно менять «температуру газа»?

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 3. Молекулярная физика и термодинамика. М.: Астрель, 2008.

2.Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Дополнительная

1. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.

115

нию с молекулами в глубине жидкости потенциальной энергией. Эту энергию называют свободной. Отсюда следует: чтобы молекулы из объема перевести в поверхностный слой, внешние силы должны совершить работу.

Рис. 2.11.1

Работа, которую надо совершить над жидкостью, чтобы изотермически и равновесно увеличить поверхность жидкости на единицу при сохранении ее объема неизменным, называется коэффици-

ентом поверхностного натяжения.

Понятие «свободная энергия» введено Гельмгольцем:

F =U −TS ,

где F – свободная энергия системы; U – внутренняя энергия системы; T – абсолютная температура системы; S – энтропия.

Используя свободную энергию, первое и второе начала термодинамики, можно прийти к выводу: при изотермическом равновесном процессе убыль свободной энергии равна работе, произведенной силами молекулярного взаимодействия:

Работа по увеличению площади поверхности жидкости внешними силами равна работе сил молекулярного взаимодействия с противоположным знаком, т.е. Aвнеш. сил = –Aмол. сил. Следовательно,

F = Aвнеш. сил.

117

Свободную энергию жидкости, на которую не действуют внешние силы, можно представить в виде суммы: F = Fоб + Fпов, где Fоб – объемная составляющая свободной энергии; Fпов – поверхностная составляющая при постоянных плотности ρ и температуре Т. Объемная свободная Fоб энергия пропорциональна объему жидкости, поверхностная свободная энергия Fпов пропорциональна площади поверхности жидкости, т.е.

где α – коэффициент поверхностного натяжения (буквой S здесь и далее будем обозначать площадь поверхности жидкости).

Если объем жидкости достаточно велик, то поверхностной свободной энергией можно пренебречь. Напомним, что объем пропорционален третьей степени линейных размеров системы, а поверхность пропорциональна второй степени линейных размеров. Если объем жидкости мал, то основной вклад в свободную энергию вносит поверхностная свободная энергия.

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию жидкости, приходящуюся на единицу ее поверхности.

Если жидкость находится в форме тонких пленок, то можно пренебречь объемной свободной энергией. Толщина пленок жидкости в этом случае не должна быть меньше диаметра сферы молекулярного действия.

Вкачестве примера возьмем кольцо диаметром d и опустим его

вповерхностный слой смачивающей его жидкости. Это один из способов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости по отрыву кольца.

При соприкосновении твердого тела с жидкостью поверхностная свободная энергия жидкости и форма поверхности жидкости зависят от силы взаимодействия молекул жидкости друг с другом, с молекулами твердого тела и с молекулами пара, с которыми жидкость граничит.

Для характеристики сил взаимодействия молекул служит крае-

вой угол θ. Этот угол отсчитывается внутри жидкости между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости.

Если краевой угол 0 < θ < π/2, то говорят о частичном смачивании поверхности твердого тела; если θ = 0, то имеет место полное смачивание (рис. 2.11.2).

118

на кольцо в момент отрыва пленки жидкости: mg – сила тяжести (приложена к центру масс кольца); f – сила поверхностного натяжения (действует по всему периметру кольца, как внешнему, так и внутреннему); Fн – сила натяжения нити; f0 – результирующая сила, действующая на динамометр со стороны кольца.

Рис. 2.11.3

В соответствии с определением коэффициента поверхностного натяжения силу fможно представить в виде

где L – длина контура поверхности, вдоль которого действует сила. В данном случае L равна длине внешней и внутренней окружности кольца, в случае тонкого кольца можно взять среднее значение диаметра кольца, тогда

где d1 – внешний диаметр; d2 – внутренний диаметр; d – средний диаметр кольца.

120