Laboratornye_raboty_EGF-EiP

Лабораторная работа № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ РАЗМЕРОВ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Оборудование: штангенциркуль, микрометр, оптический угломер, набор измеряемых тел.

Цель: освоить методы измерения линейных и угловых величин.

Задание:

1.Изучить теорию нониуса и микрометрического винта.

2.Ознакомиться с устройством и принципом действия штангенциркуля.

3.Ознакомиться с устройством и принципом действия оптического угломера.

4.Ознакомиться с устройством и принципом действия микрометра.

5.Определить линейные и угловые размеры тела (по заданию преподавателя), производя каждое измерение не менее пяти раз.

6.Определить средние значения величин и погрешности измерений.

7.Составить письменный отчет по работе (образец отчета дан в Приложении 1).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Примерная форма отчета (В реальной работе для каждого прибора может быть свой образец, при расчете

погрешностей нужно использовать формулу Питерса и коэффициент Стьюдента) Лабораторная работа №1.

Название: Измерение линейных и угловых размеров твердого тела Тема: измерение линейных и угловых размеров твердого тела.

Оборудование: штангенциркуль, микрометр, оптический угломер, четырех-

в

Обозначения:

а, в, с - стороны оснований (измеряется штангенциркулем (большой парал- лелепипед) измеряются микрометром (маленький параллелепипед));

α,β,γ - углы (измеряются оптическим угломером). Расчетные формулы:

n

aср = 1 / n∑ai ; ai = a − ai ;

i=1

n

aср = 1/ n∑ ai ,

i=1

Дале определяем среднеквадратичную ошибку среднеарифметического, поль- зуясь формулой Питерса

Выберем доверительную вероятность результата α=0,95, из таблицы (коэффи- циентов Стьюдента) при n=5 измерениях, тогда коэффициент Стьюдента будет tα , n = 2,8 .

Найдем абсолютную погрешность результата a = tα , n σ m (a)

Вычислим относительную погрешность

Примечание: в случае, когда вычисленная погрешность меньше погрешно- сти прибора, в окончательном результате приводится погрешность прибора.

Запишем окончательный результат

a = aср ± tα , n σ m (a)

ср.зн.

Вывод:

Контрольные вопросы

1.Виды физических измерений.

2.Запись результатов физических величин.

3.Единицы измерений физических величин.

4.Классификация погрешностей. Физический смысл абсолютной и относительной погрешностей.

5.Расчет погрешностей прямых измерений.

6.Расчет погрешностей косвенных измерений.

7.Графическая обработка результатов измерений.

8.Определение цены деления и погрешности шкалы прибора.

Лабораторная работа № 3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА

Закон вязкого трения имеет вид: F = η dυ S , где η – коэффициент внутрен-

dz

него трения жидкости, размерность [η]= Па· с

Формула Стокса имеет вид: F = 6πηrυ, где r - радиус шарика, а υ – ско- рость его равномерного движения.

Учитывая, что на шарик кроме силы сопротивления движению действуют сила тяжести и архимедова сила, получим:

η = (ρ1 − ρ2 )gtd 2

18L

В этой формуле ρ1- плотность шарика, ρ2- плотность жидкости, t – время прохождения шариком расстояния L от верхнего кольца до нижнего, d - диаметр шарика.

Произведите измерения и заполните таблицу:

Найдите среднее значение η.

Плотность глицерина 1260 кг/м3.

Контрольные вопросы

1.Каков характер движения шарика, падающего в вязкой жидкости в начале движения? Почему?

2.Каков характер движения этого шарика при установившемся движении? Поче- му?

3.От каких факторов зависит сила сопротивления при движении тела в жидкости или газе?

4.О чём говорит уравнение Бернулли?

5.В чём смысл уравнения неразрывности струи?

6.Каким образом возникает подъёмная сила крыла самолёта?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ МЕТОДОМ ОТКАЧКИ

Оборудование: насос Камовского, стеклянный баллон с краном и с извест- ным объемом, весы технические, разновесы, пинцет, вакуумметр.

Содержание и метод выполнения работы

В данной лабораторной работе с помощью простого опыта вам предстоит определить молярную (универсальную) газовую постоянную R и постоянную Больцмана К – две важнейшие физические константы, численные значения кото- рых вы должны помнить из школьного курса.

Постоянные R и К входят в уравнения газовых законов и уравнения термо- динамики. Рассмотрим эти уравнения для простейшей системы – идеальный газ.

Для определения постоянной R запишем уравнение для объема газа V в баллоне при комнатной температуре Т и атмосферном давлении Р1 для массы М1:

Предполагаем, что после откачки части воздуха температура воздуха в бал- лоне равна комнатной температуре, т.е. Т1=Т2=Т .

Вычтем из уравнения (1.1) уравнение (1.2) и найдем газовую постоянную:

В данной лабораторной работе универсальная газовая постоянная рассчи- тывается по этой формуле.

Установка для определения R изображена схематически на рис.1.5. Стек- лянный баллон 1 присоединен к моновакуумметру 3 и дальше к насосу Камовско- го. Кран 2 служит для того, чтобы осуществлять связь баллона с атмосферой. Масса самого баллона с мешочком (при взвешивании мешочек не снимать) без учета находящегося внутри баллона воздуха: mб. Его объем равен (1,2 ± 0,005 ) л. Молярная масса воздуха: =29 10-3 кг/моль.

Порядок выполнения работы

1)Баллон с помощью резинового патрубка аккуратно присоединить к моновку- умметру, соединенному с насосом Камовского. Открыть кран 2.

2)Откачать воздух до Р =0,5 кг с/см2 и закрыть кран 2.

3)Осторожно отсоединить баллон от моновакуумметра, подвесить к левой чашке весов и взвесить с точностью до сотых долей грамма массу баллона и воздуха внутри него т2. Масса воздуха в баллоне: М2=т2-тб.

4)Снять баллон с весов, осторожно открыть кран 2 (должно слышаться легкое шипение), впустить воздух в баллон. Тогда Р1=Ратм.

5)Снова взвесить баллон с воздухом, определить т1 с такой же точностью. Масса воздуха в баллоне М1=т1-тб. (Подумайте, почему для измерения R необходимо измерять массы воздуха в баллоне при различных давлениях?).

6)Повторите измерения 3 раза.

7)Вычислите R по результатам различных измерений и найдите среднее значение.

8)Рассчитайте относительную погрешность по формуле:

9) Окончательный результат запишите в виде: R = Rср ± R .

10) Определите постоянную Больцмана по среднему значению газовой постоян- ной по формуле:

натной температуре и внутреннюю энергию одного моля воздуха.

Контрольные вопросы

1.Какие величины вы будете определять в данной работе?

2.Каков физический смысл постоянных R, k и N? В каких единицах они из- меряются?

3.Какой газ называется идеальным?

4.Сформулируйте законы идеального газа.

5.Напишите уравнение состояния идеального газа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения жидкости. В настоящей работе определение коэффициента поверхностного натяжения про- водится двумя методами, которые предлагаются для выполнения как два упраж- нения.

Упражнение 1

Оборудование: динамометр ДПН с принадлежностями, стакан с водой, штатив.

Ход работы:

1.Закрепить динамометр ДПН в штативе. Подвесить проволочку длиной 3 см и установить указатель динамометра на нулевое деление.

2.Осторожно поднять стакан с водой до полного смачивания водой проволочки. Затем осторожно опускать стакан и заметить максимальное значение силы, по- казанное динамометром.

3.Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле

σ= F .

2 l

4.Проделать те же измерения и расчёты для двух других проволочек. Результаты занести в таблицу.

5.Рассчитать относительную и абсолютную погрешности измерений:

Среднее значение σср=______________

Упражнение 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ПО МЕТОДУ СЧЕТА КАПЕЛЬ

Оборудование: стеклянная бюретка, воронка, стаканчик, исследуемая жидкость, аналитические весы.

Содержание и метод выполнения работы

При медленном вытекании жидкости из вертикальной трубки на ее конце образуется капля, которая постепенно растет и, достигая некоторого веса Р, постоянного для данной жидко- сти и температуры, отрывается и падает (рис.2.7).

Обозначим диаметр сужения капли в момент отрыва че- рез 2r, а коэффициент поверхностного натяжения жидкости че- рез α. Тогда для силы поверхностного натяжения, действующей по периметру сужения капли, получим выражение:

F=2πrα.

Эта сила прижимает каплю к жидкости в трубке. Очевидно, что отрыв кап- ли от жидкости в трубке произойдет тогда и только тогда, когда вес капли стано- вится больше или равен силе поверхностного натяжения. Таким образом, условия отрыва капли от трубки можно записать в виде:

P≥2πrα ,

Так как при определении веса одной капли будет большая относительная погрешность, определяют вес Ν капель. Тогда Р= Ψ , где Ψ – вес Ν капель, и вы-

Радиус шейки капли в момент отрыва в данной работе измеряют с помощью микроскопа.

Порядок выполнения работы

1. Наберите в шприц 2 мл воды. Масса этой воды m = 2 г.

2. Подсчитайте число капель n при медленном выдавливании воды из шприца. 3. Измерьте внешний диаметр d трубки шприца.

4. Рассчитайте массу одной капли воды m0 = m .

n

5.Опыт проделайте 5 раз, набирая в шприц различный объем воды.

6.По результатам каждого опыта рассчитайте коэффициент поверхностного на-

тяжения по формуле σ = m0 g .

πd

7. Подсчитайте среднее значение коэффициента поверхностного натяжения по

10. Запишите значение σ = σ ср ± σ ср .

Контрольные вопросы

1.В чем причина особых свойств поверхностного слоя жидкости?

2.Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? (Дать определе- ние этой величины через силу поверхностного натяжения, через избыточную по- тенциальную энергию поверхностного натяжения жидкости и через свободную энергию поверхностного слоя).

3.Чему равен коэффициент поверхностного натяжения при критической темпе- ратуре?

4.Чем объяснить стремление жидкости при данном объеме иметь минимальную поверхность?

5.Почему загрязнение может повлиять на результаты измерения?

7. Объяснить идею метода определения коэффициента поверхностного натяжения (для каждого из двух предложенных упражнений).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Оборудование: психрометр бытовой, аспирационный психрометр, баро-

метр.

Содержание и метод выполнения работы

Для определения влажности воздуха имеются различные методы.

Метод точки росы. В зависимости от изменения температуры при измене- нии упругости (давления) пара воздух может быть в большей или меньшей степе- ни насыщен водяными парами. Чем выше температура, тем при прочих равных условиях выше упругость насыщенного пара. Понижением температуры можно достичь насыщения пара независимо от его упругости.

Температура, при которой водяной пар, имеющийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы, т. к. при давнейшим понижением темпера- туры пар конденсируется – «выпадает роса». Упругость насыщенного пара, кон- денсирующегося при точке росы, равно упругости паров при температуре окру- жающего воздуха. Таким образом, точка росы характеризует абсолютную влаж-

ность при данной температуре.

Метод психрометра. Этот метод определения влажности основан на зави- симости скорости испарения воды от влажности окружающего воздуха.

Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, укрепленных на од- ном штативе. Шарик одного из них обернут батистовой тканью и помещен в ре- зервуар с водой – влажный термометр. Испарение воды с поверхности шарика влажного термометра вызывает его охлаждение. Температура при этом понижает- ся до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором поглощение тепла испаряющейся жидкостью полностью компенсируется притоком количества теплоты из окружающей атмосферы и температура его остается постоянной, не- смотря на продолжающиеся испарение воды. Тепловое равновесие возможно лишь при условии, что термометр получает в единицу времени столько же тепла, сколько он теряет вследствие испарения воды с его поверхности. Количество теп- лоты, получаемое термометром за единицу времени, определяется по закону Ньютона:

Q1 = x(tC − t B )S ,

где x − коэффициент теплопроводности, tC , t B − соответственно температуры сухо- го и влажного термометров, S − поверхность, через которую подводится тепло (поверхность, с которой происходит испарение). Количество тепла, теряемое вследствие испарения, пропорциональна скорости испарения:

где v − скорость испарения – величина, измеряемая количеством воды, испаряю- щейся с единицы площади поверхности в единицу времени, B − коэффициент пропорциональности.

Скорость испарения по закону Дальтона определяется выражением:

Pa

B