Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные законы физики и их изучение в лабораторных работах. Механика и молекулярная физика. Учебное пособие
.pdf
Здесь i – номер исследуемой жидкости, Рi – максимальное
σ
σ
σ
давление внутри пузырька для соответствующей жидкости.
Метод основан на сравнении максимального давления
внутри пузырьков воздуха в дистиллированной воде и в исследуемых жидкостях.
Из выражения (1) следует:
воды
σ
Используя справочные значения
– коэффициенты поверхностного натяжения для исследуе-
i
Р
воды
=
i
.
Р
i
, легко определить
воды
мых растворов по формуле:
P
i
σσ
=
i воды
. (3)
P
воды
Так как в работе для измерения давления используется Uобразная трубка, заполненная водой, то давление
удобно из-
P
i
мерять по разности уровней жидкости в коленах манометра,
выражая ее в миллиметрах водяного столба.
Порядок выполнения работы.
1. Налить дистиллированную воду в чистый стакан.
2. Установить стакан с водой под капилляром на основа-
ние штатива.
3. Опустить кончик капилляра в воду.
4. Медленно открывая кран 2, добиться того, чтобы пу
зырьки очень медленно формировались. В этом состоянии легко определить максимальную разность уровней в коленах манометра Р.
5. Записать значение Р для воды в таблицу.
Р
Вода
5%
10%
15%
20%
Δ
Р
σ
Δσ
-
241
6. Проделать аналогичные измерения для всех 5%, 10%,
σ
σ
15% и 20% водных растворов спирта. Занести полученные дан-
7. Рассчитать значения
8. Представить результаты зависимости
и их абсолютные ошибки.
i
от концентра-
i
Темы для самостоятельного изучения и контрольные вопросы:
1. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения
(с. 171-173).
2. Запишите формулу Лапласа для цилиндрической поверхности
(с. 174).
3. Объясните капиллярные явления в жидкости (с. 177, 178).
4. Определите полное давление в пузырьке газа радиусом r, нахо-
(с. 173, 174, 181).
0
5. Будет ли плавать на поверхности воды жирная (полностью не-
(
ρ
= 7,7 г/см3;
cm
6. Между двумя параллельными стеклянными пластинками нахо-
σ
= 0,073 н/м).
воды
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ
ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗОВ МЕТОДОМ
АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ
Цель работы. Определить отношение удельных теплоем-
Краткая теория. Удельной теплоёмкостью вещества на-
массы
242
вещества, чтобы увеличить его температуру на 1 К. Удельная
Дж
теплоемкость измеряется в системе СИ в
. Теплоемкость
кг К⋅
газа при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме на величину работы, которую совершает газ,
расширяясь при нагревании на 1 К. Отношение удельных теп-
c
лоемкостей газов
p
входит в уравнение адиабаты (показа-
=
γ
c
v
тель адиабаты) и играет важную роль в теории идеальных газов.
В данной работе отношение удельных теплоёмкостей газов определяется методом адиабатического расширения. Всякое
быстрое изменение объёма можно считать процессом адиабатическим и, применив к нему закон адиабатического расширения,
вычислить
γ
.
С помощью насоса в стеклянный баллон объёма V
, соеди-
1
нённый с манометром, накачивается небольшая порция воздуха,
затем кран закрывается. Спустя некоторое время, когда температура газа в баллоне сравняется с температурой окружающего
воздуха Т
атмосферное давление, h
(первое) состояние газа характеризуется параметрами: Р
и T
1.
, давление воздуха в баллоне будет Р1=Р0+h1 (Р0 –
1
– разность уровней манометра). Это
1
, V1
1
После того как температура внутри баллона стала равной
температуре окружающей среды, на короткое время открывают
кран. Воздух быстро расширится и часть его выйдет из баллона.
Это адиабатический процесс. Температура воздуха в баллоне
понизится до значения Т
ры газа будут следующие: Р
. В этом (втором) состоянии парамет-
2
=Р0, V
2
1 , и Т2
.
Затем кран закрывают, воздух начинает нагреваться
до комнатной температуры Т
(h
–установившаяся разность уровней в манометре после от-
2
, давление поднимается до Р2+h2
1
крывания крана). Это (третье) состояние характеризуется параметрами: Р
, V2, Т1 .
2
К процессу адиабатического расширения газа – переход из
первого состояния во второе – применимо уравнение Пуассона:
243
γ
−−
1
P
1
γ
T
1
γ
1
P
2
= , γ=
γ
T
2
c
p
. (1)
c
v
Подставив значения
h
1
Т
P
0
−
<<1,
ТТ
2
величины
Р
0
PPh
=+, PP
101
TT
−
()
12
γ
−
21
=
γ
<< 1, получим:
T
2
1
h
. (2)
1
20
и полагая, что
=
Переход из второго состояния к третьему происходит без
изменения объёма, поэтому применяем к нему уравнение ГейЛюссака:
1
= ТРТР
12
1
−−
(3)
20
.
Подставим значение Р2=Р0+h2 в (3) и, учитывая (2), получим:
−
TTP
)(
γ
1
=
h
2
210
T
2
−
=
h
.
1
γ
Отсюда находим отношение удельных теплоёмкостей:
γ
1
=
. (4)
hhh−
21
Описание установки и
порядок выполнения работы.
Установка состоит из баллона
А с краном Д, манометра С и
поршневого насоса.
1. Накачать насосом воздух в баллон до разности
уровней манометра порядка
30-40 см, следя за тем, чтобы
из манометра при этом не была выброшена вода.
Рисунок. Внешний вид установки
244
2. Подождать 3-5 минут для того, чтобы температура воз-
духа внутри баллона сравнялась с комнатной. Записать в таблицу разность уровней манометра h
1
2
3
4
5
средн. ----- -----
h
1
.
1
h
2
γ
Δγ
3. Нажать рукой сверху на крышку баллона и держать до
тех пор, пока разность уровней жидкости манометра не станет
равной нулю. Это время равно примерно 3 секундам. В течение
этого времени будут открыты отверстия в крышке и из баллона
будет выходить воздух .
4. Подождать ещё 3-5 минут. За это время произойдёт выравнивание температур
внутри и снаружи баллона, сопровождающееся изменением давления. Новую разность уровней манометра h
записать в таблицу.
2
5. По формуле (4) рассчитать значение
γ
. Сравнить полу-
ченный результат с теоретическим значением.
6. Повторить измерения ещё 4 раза. Результаты измерений
и расчётов записать в таблицу.
7. Подсчитать среднюю величину
γ
. Оценить абсолютную
ошибку измерений и представить окончательный результат в
виде:
γ = γ
средн.
± Δγ.
245
Темы для самостоятельного изучения и контрольные вопросы:
1. Что называется теплоёмкостью газа: молярной, удельной?
(с. 118, 119).
2. Сформулируйте первое начало термодинамики (с. 147).
3. Какой процесс называется адиабатическим? Напишите уравне-
ние этого процесса (с. 121-124).
4. Как обеспечивается адиабатическое расширение газа? (с. 123,
124).
5. Почему С
6. Как рассчитать Ср и C
> CV ? (с. 119).
p
V
для одноатомного, двухатомного и мно-
гоатомного газов? (с. 134, 135).
7. Объясните физический смысл универсальной газовой постоян-
ной R (с. 117).
8. Что такое число степеней свободы движения молекул? (с. 132-
134).
9. Выразите
γ
= Ср/СV через число степеней свободы движения мо-
лекул (с. 135).
10. Найдите удельную теплоёмкость при постоянном давлении для
кислорода, неона, углекислого газа (с. 132, 135).
246
ЛИТЕРАТУРА
_______
1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 1-2. М.: Астрель,
2001.
2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу фи-
зики. М.: Наука, 1979.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 1-2. М.: Изд-во
МФТИ, 2002.
4. Молчанова Н.М., Пасечник Л.П., Рубцов В.Б. Лабора-
торный практикум
1991.
5. Каряка В.И. Вопросы для самостоятельной работы по
физике. М.: Изд-во УДН, 1997.
6. Лабораторные занятия по физике / под ред. Л.Л. Голь-
дина. М., 1983.
7. Основные правила обработки результатов лабораторных
измерений: физический практикум. М.: Изд-во УДН, 1988.
по курсу «Общая физика». М.: Изд-во УДН,
8. Гордеев А.Н., Кулаков
М.: Изд-во УДН, 1995.
9. Каряка В.И., Терлецкий А.Я., Коновальцева Л.В. Меха-
ника и молекулярная физика: лабораторные работы. М.: РУДН,
2015.
Б.П. Лабораторный практикум.
247
ОПИСАНИЕ И ПРОГРАММА КУРСА «ФИЗИКА»
_______
Целью изучения физики является создание у студентов
широкой теоретической подготовки, позволяющей ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающим им возможность использования новых физических
принципов в тех областях техники, в которых они специализируются.
Задачами курса физики являются: формирование у студентов научного мышления и современного естественнонаучного
мировоззрения, в частности правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов,
теорий и умения оценивать степень достоверности результатов,
полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования; усвоение основ физических явлений и законов классической и современной физики, методов
физического исследования;
Учебное пособие составлено в соответствии с Федераль-
ным
образовательным стандартом для бакалавриата инженерного направления. Из всего набора лабораторных работ, представленных в лабораториях механики и молекулярной физики,
студенты, в соответствии с учебной программой, выполняют
лишь часть из них. Номера лабораторных работ соответствуют
их нумерации в лабораториях.
Программа курса
Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона. Масса
и импульс тела
Принцип относительности Галилея. Упругие силы. Силы трения. Сила тяжести и вес. Механическая работа. Кинетическая
энергия. Консервативные силы. Потенциальная энергия. Закон
сохранения энергии. Энергия упругой деформации. Закон со-
. Единицы и размерности физических величин.
248
хранения импульса. Соударения двух тел. Движение тел в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Центробежная
сила инерции. Сила Кориолиса. Движение центра масс твердого
тела. Вращение тела вокруг неподвижной оси. Момент силы,
момент инерции, момент импульса. Энергия вращающегося
твердого тела. Закон всемирного тяготения. Гравитационное
поле. Принцип эквивалентности. Космические скорости. Гармонические колебания
. Маятник. Затухающие и вынужденные
колебания. Векторная диаграмма. Сложение колебаний. Специальная теория относительности. Преобразования Лоренца.
Следствие из преобразований Лоренца. Релятивистский импульс и энергия. Взаимосвязь массы и энергии. Линии и трубки
тока. Уравнение Бернулли. Силы внутреннего трения. Ламинарное и турбулентное течения. Движение тел в жидкостях и
газах.
Масса и
размеры молекул. Состояние системы. Процесс
Внутренняя энергия системы. Работа, совершаемая газом в различных процессах. Первое начало термодинамики. Теплоемкость идеального газа. Уравнение адиабаты. Характер теплового движения молекул. Давление газа. Средняя энергия молекул.
Распределение Максвелла. Барометрическая формула. Распределение Больцмана. Первое начало термодинамики. Цикл Карно. Термодинамическая шкала температур. Второе
начало термодинамики. Энтропия. Классификация кристаллов. Типы кристаллических решеток. Дефекты в кристаллах. Строение жидкости. Поверхностное натяжение. Давление под изогнутой поверхностью. Капиллярные явления. Испарение и конденсация.
Равновесие жидкости и насыщенного пара. Критическое состояние. Пересыщенный пар и перегретая жидкость. Плавление
и кристаллизация. Явления переноса в газах. Диффузия в
теплопроводно
сть газов, вязкость газов.
газах,
249
СОДЕРЖАНИЕ
I. МЕХАНИКА 3
1. КИНЕМАТИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ 3
2. ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ 11
3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ 22
4. НЕИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА 32
5. МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА 45
6. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ МЕХАНИКА 57
7. СТАТИКА И ДИНАМИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 73
8. КОЛЕБАНИЯ 82
9. ВОЛНЫ В УПРУГОЙ СРЕДЕ 97
II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА 109
10. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
И ТЕРМОДИНАМИКИ 109
11.ЭЛЕМЕНТАРНАЯ КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ 129
12. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ 147
13. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ 159
14. ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ 170
15. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ 178
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО МЕХАНИКЕ
И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ 191
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
В ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТАХ 191
Лабораторная работа № 1. Определение объема и плотности тел 200
Лабораторная работа № 2. Определение ускорения силы тяжести
с помощью маятника 205
Лабораторная работа №3. Исследование законов движения
на машине Атвуда 210
Лабораторная работа №4.
пружины 216
Лабораторная работа № 12. Определение моментов инерции тел
с помощью крутильных колебаний 221
Лабораторная работа №14. Измерение скорости полета тела методом
крутильного баллистического маятника 225
Лабораторная работа № 25. Определение вязкости жидкости
по методу Стокса 231
Определение коэффициента упругости
250
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]