Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«БИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СОЦИАЛЬНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра общей физики и методики обучения физике

ИНСТРУКЦИЯ

к лабораторной работе №10

Тепловые явления

Бирск - 2008

Лабораторная работа № 10. Тепловые явления

Инструкция по выполнению работы

Цель работы: Научиться разрабатывать экспериментальные установки, проводить опыты, демонстрирующие основные элементы знаний в теме.

Задание 1. Изучите по школьному учебнику тему «Тепловые явления» (8 класс). Повторите основные знания, которые должны быть усвоены учащимися в этой теме и выпишите в тетрадь формулировки элементов знаний, относящихся к системе демонстрационного эксперимента в этой теме (смотри задание 3).

Задание 2. Изучите по описаниям и инструкциям следующие приборы:

1. Трубка для демонстрации опытов с парами.

2. Теплоприемник.

3. Термометр демонстрационный жидкостный.

4. Термометр на термисторе.

5. Прибор для демонстрации конвекции в жидкости

6. Манометр открытый жидкостный

Задание 3. Разработайте принципиальные схемы и смонтируйте с помощью имеющихся приборов экспериментальные установки для следующих опытов:

1. Изменение внутренней энергии.

2. Теплопроводность твердых тел.

3. Теплопроводность жидкостей.

4. Теплопроводность газов.

5. Конвекция жидкостей.

6. Конвекция газов.

7. Нагревание излучением.

8. Теплоемкость твердых тел

Задание 4. Подготовьтесь к проведению экспериментов с собранными ЭУ по следующему плану:

1. Цель эксперимента;

2. Метод проведения эксперимента;

3. Проектирование и конструирование ЭУ (или описание готовой ЭУ);

4. План проведения эксперимента;

5. Анализ полученных результатов;

6. Вывод из опыта;

7. Эмпирический вывод;

8. Теория эксперимента.

Задание 5. Подготовьте письменный отчет по выполнению лабораторной работы, включив в него:

1. Название работы; Цель работы;

2. Результаты выполнения задания №1;

3. Результаты выполнения задания 2.

4. Описание экспериментов по указанному в задании 4 плану с рисунками ЭУ.

Описания приборов, используемых в теме

Трубка для демонстрации опытов с парами (рис. 21) позволяет продемонстрировать переход механической энергии в тепловую и обратно.

Прибор состоит из тонкостенной лагунной трубки, насаженной на стальной стержень 7, который позволяет укрепить прибор в муфте или основании универсального штатива. На внешней поверхности другого конца трубки имеется резьба, на которую навинчивается гайка с ручкой 2. Внутри гайки имеется пробка, через которую пропущена железо-константановая термопара 3. Концы термопары припаяны к проводам, термопара 3. Концы термопары припаяны к проводам, позволяющим под­ключать термопару к гальванометру. К прибору приложены две резиновые пробки, через одну из них пропущен металлический стержень, оканчиваю­щийся зажимом 4.

Если концы термопары подключить к гальванометру от демонстраци­онного вольтметра и изменить температуру от 0 до 100° С (т. е. поместить сначала термопару в тающий лед, а затем в кипящую воду), то стрелка гальванометра отклонится. Если проделать тот же опыт, подключив термо­пару к демонстрационному гальванометру, то можно добиться значительно большего эффекта отклонения светового зайчика.

С прибором можно демонстрировать разные варианты опыта по пере­ходу механической энергии в тепловую (и наоборот). Например, подклю­ченную к гальванометру термопару можно приложить к железной пластине до и после многократного изгибания и заметить увеличение температуры. Трубку можно применить для демонстрации вылета пробки под действием давления при сгорании горючей смеси и для других опытов. Если, напри­мер, на трубку навернуть гайку с ручкой, а термопару подключить к галь­ванометру, затем трубку нагреть (любым способом), то легко заметить из­менение показаний гальванометра и сделать заключение об увеличении температуры газа в трубке.

Теплоприемник (рис. 22) позволяет обнаружить тепловые лучи и сравнить лучеиспускание и лучепоглощение светлой и темной поверхно­сти.

Прибор представляет собой тонкостенный металлический цилиндр. Одно основание цилиндра черное, матовое, а другое—блестящее, никели­рованное. Цилиндр-коробка имеет ручку и ниппель, на который надевают резиновую трубку.

Теплоприемник применяют вместе с водяным манометром. Такое со­четание прибора позволяет обнаружить инфракрасные лучи. В качестве источника тепловых лучей можно использовать нагретую гирю, электриче­скую плитку, мощную электрическую лампу, металлический тонкостенный сосуд с горячей золой.

Термометр демонстрационный жидкостный (рис. 23) предна­значен для первоначального ознакомления учащихся с устройством и дей­ствием жидкостного термометра. Основная часть прибора — баллон, со­единенный со стеклянной трубкой-капилляром. Баллон и часть капилляра заполнены подкрашенной жидкостью. Трубка прикреплена к деревянной рейке, на которую нанесена шкала от —10 до +104°С; цена деления 2°С.

Термометр на термисторе (рис. 24) предназначен для измерения температуры в интервале от 0 до +100° С и от 0 до 300°С.

Термометр состоит из датчика температуры с измерительным мостом и температурной шкалы к демонстрационному гальванометру от амперметра. Датчик состоит из терморезистора типа КМТ-14, который для защи­ты от механических повреждений закрыт металлическим наконечником. К терморезистору припаяны изолированные проводники, помещенные в ме­таллическую трубку и оканчивающиеся двумя штекерами. Номинальное сопротивление терморезистора при температуре 150°С равно -1 кОм.

Измерительный мост собран по схеме, представленной на рисунке 126. Источник питания (4, 5 В) размешается внутри корпуса. На передней пане­ли измерительного моста имеются следующие обозначения: Вкл— включение источника питания, внешний источник питания (подключают в том случае, если отсутствует источник питания внутри корпуса), Г— зажимы для подключения гальванометра с обозначением полярности, К— калибровка, И— измерение (два положения тумблера), ТР—зажимы для подключения терморезистора. О — установка нуля (ось резистора для этой регулировки поворачивают отверткой), «Установка предела шкалы» (на оси резистора имеется ручка).

Для настройки прибора отвертывают четыре винта па передней панели измерительного моста и вынимают панель, получив доступ к переменным резисторам КО и КК. Поворот осей резисторов КО и КК возможен с помощью отвертки. К соответствующим зажимам подключают терморези­стор и гальванометр, устанавливают шкалу на 100 делений и совмещают стрелку гальванометра с нулевым делением, регулируя корректором галь­ванометра. Переводят тумблер в положение И и включают источник пита­ния. Датчик погружают в сосуд с тающим льдом и держат около 5 мин. Полностью вводят резисторы К1 и К2 (до максимального значения), при этом оси резисторов поворачивают до упора. С помощью отвертки повора­чивают ось резистора КО (с внутренней стороны панели) до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нуле. Затем погружают датчик в кипящую воду и с помощью резистора К1 добиваются, чтобы стрелка галь­ванометра установилась на отметке 100. Переводят тумблер вида работы в положение К (калибровка) и резистором КК (с внутренней стороны панели) подводят стрелку гальванометра к тому же делению 100. В этом положении резисторы КО и КК фиксируют; дальнейших регулировок не требуется. Устанавливают верхнюю панель на место и выполняют требуемые измере­ния.

Если источник заменяют, то сначала переводят тумблер з положение К, погружают датчик в кипящую воду, резистором К! устанавливают пре­дел измерения (100°С). переводят тумблер в положение И и проводят из­мерения.

При количественных измерениях резистор К2 «Установка 0» не тро­гают. Однако для повышения чувствительности прибора при качественных оценках изменения температуры можно полностью ввести резистор К1 «Установка предела измерения» и одновременно уменьшить сопротивление резистора А7 так, чтобы стрелка гальванометра удерживалась на нуле.

После измерения температуры надо выключить измерительный мост. Не следует держать датчик в измеряемой среде более 10 мин при темпера­туре, превышающей 100°С.

Нагреватели. Для подогрева больших масс вещества наилучшим источником тепла является газовая горелка или электрическая плитка (при отсутствии тока и газа — примус или керогаз).

Наибольшее распространение имеют газовые горелки Теклю (рис. 25а) и Бунзена (рис.256). Горелка Теклю снабжена винтом 1, с помощью которого регулируется подача газа в горелку. Диском 2 на горелке Теклю и кольцом с отверстиями на горелке Бунзена регулируется количество возду­ха, примешиваемого к газу. Перед зажиганием газовой горелки закрывают отверстия, подводящие воздух, для чего завертывают диск 2 и повертывают соответствующим образом кольцо. Регулировочный винт на горелке Теклю должен быть открыт (примерно два оборота от исходного положения). За­тем, приготовив зажженную спичку, открывают кран на газовой трубе и зажигают горелку. Пламя при этом получается коптящим, длинным, с красноватым оттенком. После этого постепенно приоткрывают доступ воз­духу до получения голубого пламени.

В некоторых случаях для нагрева удобно применять спиртовку или свечу. Пламя спокойно горящей свечи, спиртовки или газовой горелки при среднем притоке воздуха имеет форму, изображенную на рисунке 25в. Там же указано распределение температуры в различных частях пламени. Наи­более горячая часть пламени находится на расстоянии 2/3 высоты нор­мального пламени от горелки. На этом уровне следует располагать в боль­шинстве опытов нагреваемый сосуд.

При изменении притока воздуха меняются форма и качество пламени. При слабом притоке воздуха пламя газовой горелки становятся коптящим, большим и окрашенным; но мере усиления притока воздуха (путем увели­чения отверстия для его ввода) пламя уменьшается, заостряется, становит­ся бесцветным и дает более высокую температуру; при чрезмерно сильном притоке воздуха пламя начинает гореть неспокойно и легко проскакивает внутрь горелки к соплу, из которого выходит струя газа.

Посуда (колбы, химические стаканы, пробирки) (рис. 26). Несмот­ря на то, что в опытах для нагревания воды используются, как правило, тонкостенные стеклянные сосуды, необходимо между горелкой я дном сосуда помешать асбестированную металлическую сетку, располагая ее на расстоянии 2/3 высоты нормального пламени. Горлышко колбы следует слегка закрепить в штативе при помощи лапки с прокладками.

При необходимости нагрева пробирок и колб в обволакивающем пламени рекомендуется перемешать горелку таким образом, чтобы пламя на­гревало максимально возможный участок, но не касалось участков посуды, расположенных выше уровня нагреваемой жидкости.