Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Лабораторный практикум
.pdf
41
0
2
T
k
m
T 2
Период колебаний равен
Из уравнений (28) и (29) видно, что с увеличением коэффициентов уп-
ругости (k) пружины растет частота колебаний и уменьшается период колебаний.
1. Соберите установку, используя предложенные приборы.
2. Определите период колебаний для каждой из предложенных пружин.
3. Измеренные и вычисленные данные запишите в таблицу.
4. По данным таблицы постройте график в зависимости T(k), ν(k).
Контрольные вопросы
1. Какими способами можно изменить период колебаний маятника?
, т.е.
Ход работы:
. (29)
2. Объясните полученные графики зависимостей.
3. Попробуйте нагреть пружину и проанализировать наблюдаемые явле-
ния.
Тема №4. Молекулярная физика
Лабораторная работа №16. Изобарный процесс
Цель: исследовать и выявить зависимость объема газа от его температуры
в изобарном процессе.
Оборудование: прибор «Изобара» с встроенными датчиками темпера-
туры и объема газа, датчик абсолютного давления, зажим для трубок,
шланг вакуумный (25 см), штатив, сосуд для воды.
Ход работы:
1. Подогрейте воду до температуры не более 70°С.
2. Закрепите прибор для демонстрации изобарного процесса с встроенным
датчиком объема газа в штативе.
42
3. Подключите кабель, идущий от установки «изобара», к разъему 1 ком-
пьютерного измерительного блока.
4. На оливку установки для демонстрации изобарного процесса наденьте
вакуумный шланг длиной 30 см.
5. Слегка надавливая на подвижное основание цилиндра с гофриро-
ванными стенками, установите объем цилиндра, близкий к минимальному
(400-500 мл).
6. Проконтролируйте включение индикатора готовности (зеленый све-
тодиод) на корпусе регистратора. Пережмите шланг с помощью зажима.
7. Убедитесь в герметичном подсоединении пробки резервуара (при
попытке растянуть или сжать цилиндр резервуара он не должен заметным образом изменять свою длину и возвращаться в исходное состояние сразу после снятия нагрузки).
8. Присоедините к системе датчик давления (к свободному концу
шланга) и снимите со шланга зажим.
9. Для того чтобы убедиться в том, что процесс изменения состояния
газа в резервуаре действительно изобарный, проведите следующий
опыт.
Запустите программу L-физика. Нажмите на кнопку «Молекулярная
физика», выберите раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в нем - эксперимент «Изобарный процесс». Запустите сценарий
«Изобарный процесс — предварительные измерения». Войдите в режим
проведения измерений.
Погрузите в нагретую воду цилиндр с гофрированными стенками и
продемонстрируйте, что при изменении объема резервуара давление
воздуха остается практически неизменным, т.е. процесс действительно
изобарный.
43
Выйдите из эксперимента «Изобарный процесс — предварительные из-
мерения». В списке сценариев эксперимента «Изобарный процесс» выберите нужный вариант регистрации данных при проведении эксперимента.
Снова установите на шланг зажим (желательно вплотную к тройни-
ку) и отсоедините датчик давления от установки и от измерительного
блока. Нажмите кнопку «Настройка оборудования». Измеряемые компьютерной измерительной системой объем и температура газа должны
составить примерно 600 мл и 70°С соответственно. Нажмите кнопку
«Проведение измерений».
Извлеките резервуар из сосуда с нагретой водой и подождите 1-2 мину-
ты. Указанное время необходимо для того, чтобы установились тепловые потоки от центральной части сосуда, где расположен датчик, к охлаждаемой оболочке
Начните измерения, нажав на кнопку «Пуск». Газ в резервуаре
начнет остывать, при этом будут изменяться его параметры. Кривые и
цифровые индикаторы на экране покажут эти изменения.
После того как температура перестанет заметно изменяться (для
достижения термического равновесия со средой потребуется 10—15 мин),
остановите измерения, нажав кнопку «Стоп».
Проведите выбор точек для передачи в программу обработки. Для
этого наведите указатель мышки на одну из точек графика и щелкните
левой клавишей. На экране появится красная точка большого размера.
Если на экране несколько кривых (регистрировалась зависимость параметров газа от времени), то автоматически выделяются все точки с
одинаковой абсциссой. Повторное наведение указателя мыши на уже
выделенную точку и нажатие левой клавиши приводит к снятию вы-
44
деления. Всего желательно выбрать 15-20 точек. Если по каким-либо причинам было выбрано менее трех точек, обработка происходит по всем
точкам, которые были записаны в ходе проведения эксперимента (между нажатием кнопки «пуск» и кнопки «стоп»).
Для перехода из экрана измерений в режим представления результа-
тов нажмите клавишу «обработка».
Обработка данных:
1. На первом экране представлена зависимость V= V (t). Шкала темпера-
туры - в градусах Цельсия. Нажатие на кнопку «прямая» приводит к построению прямой, наилучшим образом аппроксимирующей экспериментальные результаты и выводу ее уравнения (Y=aX+b). Зависимость объема газа V от температуры t (в градусах Цельсия) выражается формулой V =
Vо {1 + at), где Vo - объем газа при температуре 0°С, а а- температурный
коэффициент объемного расширения газа. Таким образом, коэффициент
а в уравнении прямой равен а = a Vo, а b = Vо. Проведя необходимые вы-
числения, на основе данных эксперимента получите значение температурного коэффициента объемного расширения газа и сможете сравнить
его с теоретическим значением (1/273= 0,0037).
2. Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «Да-
лее». Экспериментальные данные здесь представляются в координатах (Т,
V), где Т - абсолютная температура, а начало координат соответствует точ-
ке (0 °К. 0 CMJ). Нажатие на кнопку «прямая» выводит прямую линию и
ее уравнение вида Y=kX. Уравнение изобарного процесса при использовании абсолютной шкалы температур имеет вид . И ко-
эффициент должен в рамках допустимой погрешности эксперимента совпадать со значением коэффициента а, полученного на предыдущем графике.
45
V, см3
0
1
2
Для перехода на следующий экран обработки нажмите кнопку «Далее» в нижней части экрана. Если в программу обработки были пере-
даны все данные (без выбора точек), то при нажатии кнопки «Далее»
вы возвращаетесь на первый шаг обработки.
3 Следующий экран обработки представляет таблицу 15:
Таблица 15
4 Исследуйте полученные данные и выявите зависимость объема газа от
его температуры.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение изобарного процесса.
2. Какой закон описывает изобарный процесс?
Лабораторная работа №17. Уравнение состояния идеального газа
Цель: выявить, является ли величина PV/T (или пропорциональности
произведения PV абсолютной температуре T) постоянной для определѐнной массы газа постоянного состава.
Оборудование: прибор «Изотерма» с встроенным датчиком объема га-
за, шланг вакуумный (25 см), зажим для трубок, датчик абсолютного давления, сосуд с водой, термометр (0 - 100сС), штатив.
Краткая теория
Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона
или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая
зависимость между давлением, молярным объѐмом и абсолютной температурой идеального газа, имеет вид:
46
p Vμ = R T
где р— давление, Vμ— молярный объѐм,T — абсолютная температура, К,
R— универсальная газовая постоянная. Для любого количества вещества:
p V = mR T/μ
Эта форма записи уравнение носит имя уравнения (закона) Менделеева —
Клапейрона. В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в
виде:
Последнее уравнение называют объединѐнным газовым законом. Из него
получаются законы Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака.
Ход работы:
1. Подогрейте воду до температуры не более 70С.
2. Закрепите прибор «Изотерма» с встроенным датчиком объѐма газа в
штативе.
3. Подключите датчик давления к разъѐму 1 измерительного блока, а дат-
чик объѐма – к разъѐму 2.
4. Настройте датчик объѐма установки «изотерма». Введите поршень в
конечное положение так, чтобы объѐм газа в установке стал минимальным.
Если поршень уже находится в этом положении, то сначала отведите поршень на 1-2 см от крайнего положения, а потом введите его в крайнее положение снова.
5 Убедитесь в том, что включился индикатор готовности (зелѐный светодиод) на корпусе электронного блока датчика.
47
6 Установите поршень в среднее положение (отметка и70 мл), после чего
присоедините датчик давления. При этом Вы отсоединяете установку от
окружающего воздуха
7 Запустите программу L-физика, нажмите кнопку «Молекулярная физика», выберете раздел «Газовые законы и свойства насыщенных паров», а в
нѐм – эксперимент «Уравнение состояния идеального газа». Выберете
нужный вариант представления данных эксперимента.
8 Войдите в режим настройки эксперимента (кнопка «Настройка») и убедитесь, что датчики подключены правильно, а их показания равны примерно 100 кПа и 80 мл для датчика абсолютного давления и датчика объѐма соответственно.
9 Нажмите кнопку «Проведение эксперимента» и включите регистрацию
данных, нажав на кнопку «пуск». На экране появятся 2 цифровых индикатора, показывающих давление и объѐм газа. Регистрируемые компьютерной измерительной системой давление и объѐм газа должны составить
примерно 100 кПа и 80 мл соответственно (никаких изменений в системе
при переходе в режим измерений не производилось).
10 Поместите резервуар с газом в сосуд с холодной водой и переведите
поршень в одно из крайних положений. Нажмите кнопку «Выбор» и введите значение температуры в окне, появившемся на экране. На графике
появятся точки (или одна точка в варианте 2), отвечающие параметрам
системы в данном состоянии.
11 Измените объѐм газа (установите поршень примерно в среднее поло-
жение) и осуществите ввод данных для следующей точки. После этого переведите поршень в другое крайнее положение и снова введите данные.
12 Аналогичным образом следует регистрировать параметры газа при
других значениях температуры. Если температура газа существенно отли-
48
чается от комнатной, еѐ нужно контролировать непосредственно перед каждым вводом данных. Поскольку температура газа при проведении опыта
становится выше комнатной, необходимо следить за тем, чтобы давление
газа не превысило 200 кПа
13 Завершив измерения, нажмѐм кнопку «Стоп» и с помощью кнопки
«Обработка», которая появится на месте кнопки «Выбор», перейдите к
представлению результатов.
14 . На первом экране данные представляются в координатах (T, PV). Из
уравнения состояния идеального газа следует, что произведение PV прямо
пропорционально абсолютной температуре газа. Именно это и демонстрируется при нажатии кнопки «Прямая». Пределы оси температуры выбраны
таким образом, чтобы представить линейную зависимость наиболее наглядным образом. Переход к следующему шагу осуществляется кнопкой
«Далее».
15 Следующий экран представляет ту же самую зависимость с изменѐнной шкалой температуры (от 0К). Нажатие кнопки «Прямая» выводит на
экран прямую вида Y=кX, наилучшим образом аппроксимирующую экспериментальные результаты. Угловой коэффициент этой прямой (к) численно совпадает с константой (m/µ)R (m – масса газа, µ - его малярная
масса, R – универсальная газовая постоянная) в уравнении: PV = (m/µ)RT,
что позволяет оценить массу газа в резервуаре установки. Переход к следующему шагу осуществляется кнопкой «Далее».
16 На следующем графике величина PV/T представлена для каждого со-
стояния, в котором записывались параметры газа. На этом графике проводится горизонтальная прямая (Y = b), которая демонстрирует постоянство
величины PV/T на протяжении эксперимента. Коэффициент b в уравнении
прямой очевидно равен const в уравнении состояния.
49
17 Проведите опыт еще два раза.
18 Сделайте вывод.
Контрольные вопросы
1. Напишите уравнение состояния идеального газа.
2. Из уравнения состояния идеального газа выведите законы Бойля —
Мариотта, Шарля и Гей-Люссака.
3. Проанализируйте методику вашего исследования
Лабораторная работа №18 Циклический процесс в газе
Цель: Изучение работы газа в циклическом процессе, состоящем из
изотермического расширения газа, его изохорного нагрева, изотермического сжатия и изохорного охлаждения.
Оборудование: прибор «Изотерма» с встроенным датчиком объѐма
газа, датчик абсолютного давления, шланг вакуумный (25 см), зажим для
трубок, сосуд с водой – 2 шт., термометр (0-100С), штатив.
Краткая теория
Циклический процесс - процесс, при котором начальное и конечное
состояния газа совпадают. Обратимый циклический процесс начинается и
заканчивается в одном и том же состоянии газа, проходя через ряд промежуточных равновесных состояний. Такой процесс может проходить в любом направлении. Процесс, сопровождающийся теплообменом (передачей
энергии) между двумя телами, может быть обратимым лишь в том случае,
если он происходит при одинаковых (бесконечно близких) температурах
тел.
Всякая тепловая машина (двигатель), преобразующая с помощью газа
теплоту в механическую работу, представляет собой систему, многократно совершающую рабочий цикл, в ходе которого газ сначала расширяется, а затем сжимается до первоначального объема. Чтобы за цикл газ со-
50
вершил механическую работу, давление (и температура) при расширении
должно быть больше, чем при сжатии. Для этого рабочему телу в ходе
расширения необходимо сообщать количество теплоты Q1 от одного теплового резервуара (нагревателя), а в ходе сжатия – отнимать количество
теплоты Q2 (передавать другому резервуару - холодильнику). Согласно
первому началу термодинамики работа газа (полезная работа), совершаемая за цикл: A = Q1 - Q2 (изменения внутренней энергии газа не происходит). Коэффициент полезного действия (КПД) цикла следует находить как
отношение работы газа за цикл к полученному количеству теплоты.
Ход работы:
1. Соберите установку «Изотерма».
2. Наполните два сосуда горячей и холодной водой.
3. Подключите кабель датчика давления к разъему 1 измерительного бло-
ка, а кабель датчика изменения объема – к разъему 2.
4. Установите поршень в положение соответствующее отметке 50 мл.
5. Присоедините датчик давления.
6. Вращая рукоять винта по часовой стрелке, до предела уменьшите объ-
ем газа в резервуаре.
7. Убедитесь в том, что индикатор готовности включился.
8. Запустите программу, войдите в раздел «молекулярная физика», нажав
соответствующую кнопку, выберите пункт меню «циклические процессы»
и удобный для вас вариант представления данных.
9. Проверьте правильность подключения датчиков давления и объема,
нажав кнопку «настройка оборудования». Для перехода к эксперименту
нажмите кнопку «проведение измерений».
10. Нажмите кнопку «пуск» для записи данных.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]