Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3 физика твердого тела

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
359.5 Кб
Скачать

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения

_____________________________________________________

Т. А. Аронова, С. А. Минабудинова, Ю. М. Сосновский

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА, ТЕРМОДИНАМИКА И ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ по физике

Омск 2008

УДК 536.1: 538.9: 533.7 (076.5) ББК 22.37я73

А84

Молекулярная физика, термодинамика и физика твердого тела:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике / Т. А. Аронова, С. А. Минабудинова, Ю. М. Сосновский; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 40 c.

Методические указания содержат шесть лабораторных работ по молекулярной физике, термодинамике и физике твердого тела, в которых кратко изложен теоретический материал по изучаемым темам, приведены описание лабораторных установок, порядок выполнения практических заданий и контрольные вопросы.

Указания предназначены для студентов второго курса всех специальностей очной формы обучения.

Библиогр.: 8 назв. Табл. 12. Рис. 14.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор О. А. Сидоров; канд. техн. наук, доцент В. П. Шабалин.

_________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2008

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение.......................................................................................................................

5

Лабораторная работа 1. Определение отношения теплоемкости при по-

 

стоянном давлении Сp к теплоемкости при постоянном объеме СV ........

6

Лабораторная работа 2. Определение коэффициента вязкости жидкости

 

с помощью вискозиметра Пуазейля ...............................................................

11

Лабораторная работа 3. Определение средней длины свободного пробега

 

и эффективного диаметра молекул воздуха..................................................

17

Лабораторная работа 4. Температурная зависисмость сопротивления полу-

 

проводников и металлов ..................................................................................

22

Лабораторная работа 5. Зависимость сопротивления полупроводника

 

от освещенности..................................................................................................

29

Лабораторная работа 6. Полупроводниковый диод..............................................

33

Библиографический список......................................................................................

39

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Выполнение лабораторных работ по физике помогает студентам лучше понять суть изучаемых физических явлений и процессов и ознакомиться на практике с некоторыми приборами и методикой физических измерений.

При подготовке к лабораторным занятиям необходимо заранее повторить соответствующий теоретический материал по учебнику и конспекту лекций, по методическим указаниям к лабораторной работе ознакомиться с порядком ее проведения. При этом в рабочей тетради необходимо записать название и цель лабораторной работы, перечень используемых приборов и принадлежностей, рабочую формулу (формулы) с расшифровкой входящих в нее величин; начертить схему лабораторной установки и подготовить таблицы для записи результатов измерений.

Допущенный к лабораторной работе студент изучает принцип действия приборов, собирает схему лабораторной установки и после проверки ее преподавателем приступает к выполнению практического задания. Полученные результаты студент записывает в таблицы, которые проверяются и визируются преподавателем.

По результатам измерений в рабочую тетрадь записывают:

расчеты искомых величин и их погрешности (в случае необходимости результаты измерений представляются в виде графиков);

вывод (краткий анализ полученных результатов, сравнение их с табличными значениями и т. п.).

5

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ Сp К ТЕПЛОЕМКОСТИ

ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ СV

Цель работы: ознакомиться с методом Клемана-Дезорма – методом определения отношения теплоемкости при постоянном давлении Сp к теплоемкости при постоянном объеме СV; определить значение показателя адиабаты для воздуха.

Приборы и принадлежности: закрытый стеклянный сосуд, манометр, насос.

1.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 1.1) состоит из стеклянного сосуда 1, соединенного с водяным манометром 2 и ручным насосом 3 (резиновой «грушей»).

Стеклянный сосуд с помощью трехходового крана 4 может соединяться с ручным насосом (резиновой «грушей») и манометром (положение 1) либо с манометром и атмосферой (положение 2), либо с ручным насосом и атмосферой (нерабочее положение).

Положение 1

Положение 2

Положение 3

h

2

4

3

1

Рис. 1.1. Схема лабораторной установки

6

1.2. Краткие теоретические сведения

Адиабата – линия на термодинамической диаграмме состояний, изображающая равновесный адиабатический (адиабатный, изоэнтропический) процесс, т. е. процесс, при котором термодинамическая система не обменивается теплом с окружающей средой 1 .

Для идеальных газов уравнение адиабаты (уравнение Пуассона) имеет

простейший вид:

 

 

 

 

 

рV const;

 

(1.1)

 

TV 1 const;

(1.2)

 

1

 

 

 

 

 

const,

 

(1.3)

где p, V, T давление, объем и температура газа;

 

 

показатель адиабаты, равный отношению теплоемкостей газа Cр

и CV ,

определенных при постоянном давлении и постоянном объеме,

 

 

 

Cр

 

i 2

,

(1.4)

 

C

i

 

 

V

 

 

 

 

где i число степеней свободы газа.

Показатель адиабаты существенно влияет на быстропротекающие процессы сжатия и расширения газов. От значения зависят, например, скорость распространения звука в газах, течение газов по трубам со звуковой скоростью, достижение сверхзвуковой скорости течения газов в расширяющихся трубах, процессы сжижения газов и т. п.

Для определения показателя адиабаты Клеман и Дезорм предложили в 1819 г. простой метод, основанный на адиабатическом сжатии и расширении газа.

В лабораторной установке газ (воздух) первоначально находится в большом стеклянном сосуде (см. рис. 1.1), который соединен с водяным манометром и ручным насосом (резиновой «грушей»). Давление воздуха в сосуде р0

равно атмосферному давлению, а температура T0 температуре окружающей среды. Если с помощью насоса накачать в сосуд небольшое количество воздуха, то давление в сосуде повысится, но уровень жидкости (воды) в манометре не сразу

7

займет фиксированное положение, так как при нагнетании воздуха в сосуд происходит повышение температуры воздуха до Т1. Когда температура воздуха внутри сосуда благодаря теплопроводности стенок сравняется с температурой окружающего воздуха T0 , в манометре установится разность уровней воды h1. При этом давление газа внутри сосуда р1 , соответствующее показанию манометра h1, можно определитьпоуравнению:

р1 р0 gh1 ,

(1.5)

где и g плотность воды в манометре и ускорение свободного падения. Если в лабораторной установке быстро открыть кран, то воздух из сосуда

будет адиабатически расширяться до тех пор, пока его давление не сравняется с атмосферным (p2 = p0); при этом произойдет и охлаждение газа до температуры T2 .

Процесс адиабатического расширения может быть описан уравнением Пуассона (1.3):

T2

 

р1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(1.6)

р2

 

T1

 

 

 

 

 

где T1 = T0.

Если сразу по достижении давления р0 вновь закрыть кран, то давление

внутри сосуда начнет повышаться за счет повышения температуры газа до Т3 (благодаря теплопроводности стенок сосуда). Увеличение давления прекратится, когда температура воздуха в сосуде сравняется с температурой окружающей среды T0 . При этом давление газа р3 в сосуде, соответствующее показанию

манометра h2 , можно вычислить по уравнению:

р3 р0 gh2 .

(1.7)

Так как рассмотренный процесс является изохорическим, то для него справедливо соотношение:

T2

 

p2

,

(1.8)

T

p

3

 

3

 

 

где T3 = T0.

Сравнивая равенства (1.6)и(1.8) и учитывая формулы (1.5)и(1.7), имеем:

8

 

gh2

 

 

gh1

 

1

 

 

 

 

 

1

1

 

 

.

(1.9)

р

р

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

Решив уравнение (1.9) относительно , получаем:

 

 

 

 

h1

.

 

 

 

(1.10)

 

h1

 

 

 

 

 

 

 

h2

 

 

 

 

 

1.3.Порядок выполнения работы

1)Установить трехходовой кран в положение 1 и накачать воздух в сосуд до тех пор, пока разность уровней воды в манометре не будет максимальной. Пережать зажимом резиновый шланг от насоса и подождать 2 – 3 мин, пока температура воздуха в сосуде не станет равной температуре окружающей среды (давление в сосуде перестанет меняться). После этого измерить разность уровней h1 воды в манометре, результат измерения записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

 

 

Результаты измерений и расчетов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Номер

h1i , м

h2i , м

i

 

 

, %

табл

опыта

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Резко повернуть трехходовой кран по ходу часовой стрелки в положение 2. Характерный шипящий звук свидетельствует о том, что воздух выходит из сосуда, а давление в сосуде понижается. В тот момент, когда уровни воды в коленах манометра сравняются, вернуть кран в положение 1. При этом давление в сосуде станет равным атмосферному, а температура в нем понизится. Через 2 – 3 мин воздух, охлажденный при адиабатическом расширении, нагреется до температуры окружающей среды. Давлению воздуха в этом состоянии будет соответствовать показание манометра h2, записать его в табл. 1.1. Опыт повторить многократно.

9

3)Провести оценочный (приблизительный) расчет показателя адиабаты по формуле (1.10) и результаты расчета подписать у преподавателя.

4)Провести математическую обработку результатов измерений. При этом

следует учесть, что если первоначальное показание манометра h1 на установке можно воспроизвести (в пределах инструментальной погрешности манометра), то математическая обработка результатов измерений должна быть выполнена по правилам косвенных измерений. Если на лабораторной установке первоначальный результат h1 не воспроизводится, то следует провести многократные

измерения различных показаний h1i и h2i манометра, рассчитывая каждый раз по формуле (1.10) значение i. Затем необходимо выполнить математическую обработку результатов по правилам косвенных измерений, если условия эксперимента невоспроизводимы ([2], подразд. 3.2). (Первый путь обработки результатов измерений логически более предпочтителен, однако второй проще.)

5)Вычислить теоретическое значение для воздуха по формуле (1.4), полагая, что воздух является двухатомным газом, и сравнить экспериментальный и теоретический результаты с табличными данными [3; 4].

6)По результатам расчетов сделать вывод.

1.4.Контрольные вопросы

1)Дать определение каждому изопроцессу, графически представить изопроцессы на различных термодинамических диаграммах. Привести примеры практической реализации изопроцессов в какой-либо физической системе.

2)Число степеней свободы. Сформулировать закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Дать определение внутренней энергии идеального газа.

3)Сформулировать первое начало термодинамики для всех изопроцессов.

4)Пользуясь первым началом термодинамики, получить уравнение адиа-

баты (уравнение Пуассона) и записать его в координатах р V, V T и

р T .

5) Чем объясняется появление облачка тумана у горлышка бутылки с охлажденным шампанским сразу после ее быстрого открывания?

10