- •Общие сведения
- •Требования к выполнению лабораторных работ
- •Форма отчета
- •Обработка результатов измерений Погрешности измерений физических величин
- •Классификация погрешностей измерений
- •Обработка результатов прямых измерений
- •Обработка результатов косвенных измерений
- •Действия с приближенными числами
- •Построение графиков
- •Вывод по графику (шаблон):
- •Измерительные приборы и учет их погрешностей
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольное задание
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение средней силы удара и коэффициента восстановления при соударении шара с плоской стенкой
- •Описание установки и метода измерений
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Исследование столкновения шаров
- •Описание установки и метода измерений
- •Проверить закон сохранения импульса
- •Определить среднюю силу удара
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение скорости пули
- •Определение скорости пули с помощью баллистического маятника Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение скорости пули кинематическим методом
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение момента инерции маховика
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение момента инерции маятника максвелла
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Изучение законов вращательного движения и определение момента силы трения
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Проверка основного закона динамики вращательного движения твердого тела
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение моментов инерции твердых тел методом крутильных колебаний
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы.
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение ускорения свободного падения маятником-стержнем
- •Описание установки и метода измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список.
- •Пружинный маятник
- •Краткая теория
- •Продифференцировав дважды функцию (2) по времени, получим
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Проверка закона Гука
- •Определение коэффициента упругости
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение ускорения свободного падения оборотным маятником
- •Теоретические сведения
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Изучение колебаний струны
- •Общие сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение скорости звука в воздухе методом стоячей волны
- •Общие сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Изучение механических затухающих колебаний
- •Общие сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение отношения теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме
- •Краткие теоретические сведения.
- •Элементарная работа газа при равновесном расширении:
- •Описание установки и метода Клемана и Дезорма.
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение показателя адиабаты воздуха по скорости распространения звука
- •Общие сведения
- •Изменение давления при деформации:
- •В дифференциальной форме:
- •При адиабатическом процессе объем и давление газа связаны уравнением Пуассона:
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение коэффициента внутреннего трения для воздуха и средней длины свободного пробега молекул газа
- •Краткие теоретические сведения
- •Описание установки.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение вязкости жидкости методом стокса
- •Краткие теоретические сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Измерение теплопроводности газа
- •Краткие теоретические сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости по методу максимального давления в пузырьке
- •Краткие теоретические сведения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Руководство по расчету случайной погрешности
- •Работа с калькулятором
- •Оглавление
Контрольные вопросы
-
Напишите закон Ньютона для силы внутреннего трения и поясните все величины, входящие в него.
-
В каких единицах измеряется коэффициент динамической вязкости, и какую размерность он имеет?
-
Как изменяется h с изменением температуры в газах и жидкостях? Чем объясняется различный характер этих зависимостей?
-
При каких условиях движение жидкости будет ламинарным?
-
Применив метод размерности, выведите формулу Стокса (при затруднении вывода см. [3] или [5]).
-
Опишите характер движения шарика в глицерине.
-
Какую величину называют временем релаксации? Как она изменится для шарика: а) при увеличении вязкости жидкости? б) при увеличении размера шарика?
-
Запишите уравнение движения шарика в глицерине.
-
Как определить положение верхней метки на цилиндре? От каких величин она зависит?
-
Как изменится характер движения шарика, если до вхождения в глицерин он будет иметь скорость, отличную от нуля? Изобразите для этого случая зависимость .
-
Выведете расчетную формулу для h, для W.
Библиографический список
1. Курс физики: Учебник для вузов: в 2-х т. Т. 1 / Под ред. В. Н. Лозовского. – СПб.: Лань, 2006. – Гл. 5.1 § 5.6–5.7.
2. Детлаф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1999. – § 10.7–10.
3.Трофимова, Т. И. Курс физики / Трофимова Т.И. – М.: Академия, 2004. – § 31–32.
4. Савельев, И. В. Курс общей физики в 3-х т. Т.1 / И. В. Савельев.– СПб.: Лань, 2005. – §75–76.
5. Гольдин, Л. Л. Лабораторные занятия по физике. / Л. Л. Гольдин.– М.: Наука, 1983. – § 3.15.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21
Измерение теплопроводности газа
Цель работы: определить коэффициент теплопроводности воздуха при различных температурах.
Оборудование: цилиндр с нитью-проволокой, выпрямитель, амперметр, вольтметр, реостат.
Краткие теоретические сведения
Явление теплопроводности представляет собой процесс переноса тепла, обусловленный беспорядочным (тепловым) движением молекул. Это явление возникает всегда, когда есть разность температур между отдельными участками тела.
Точки тела, имеющие одинаковые температуры, образуют изотермические поверхности. Так как одна и та же точка тела не может одновременно иметь различные температуры, изотермические поверхности не могут пересекаться. В простейших случаях изотермические поверхности представляют собой параллельные плоскости, коаксиальные цилиндрические поверхности, как в настоящей лабораторной работе, или сферические поверхности с общим центром.
Важной характеристикой поля является величина, получившая название градиент. Градиент скалярной величины, например температуры, есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания этой величины (температуры). Для температурного поля, изотермическими поверхностями которого являются параллельные плоскости, численная величина градиента выражается наиболее просто:
, (1)
где координата х отсчитывается по нормали к изотермическим поверхностям. Если температурное поле цилиндрическое, как в данном случае, то:
, (2)
где r – радиус цилиндра. Из приведенных формул следует, что градиент температуры измеряется в К/м (Кельвин/метр).
Для характеристики переноса тепла вводят понятие плотности теплового потока - q, которая представляет собой количество тепла - Q, переносимое через единицу площади S изотермической поверхности в единицу времени:
, (3)
и в системе СИ будет измеряться в Дж/м2 ·с = Вт/м2.
В изотропных телах плотность потока тепла q противоположен по направлению градиенту температуры и пропорционален ему по величине - закон Фурье:
, (4)
где l - теплопроводность, которая в системе СИ измеряется в Вт/м·К. Знак минус в формуле (4) означает, что теплота передается в сторону убывания температуры, т.е. от более нагретых частей тела к менее нагретым.
Кинетическая теория газов дает для коэффициента теплопроводности выражение:
, (5)
где r - плотность газа,
CV - теплоемкость единицы массы при постоянном объеме,
- среднеарифметическая скорость движения молекул,
- средняя длина свободного пробега молекул.
Средняя скорость определяется выражением:
. (6)
Здесь R - универсальная газовая постоянная,
Т – термодинамическая температура,
µ - молярная масса газа.
Из приведенных выражений видно, что коэффициент теплопроводности зависит от целого ряда параметров.
Одним из распространенных методов измерения теплопроводности газов является метод с использованием нагретой нити. При этом газ, теплопроводность которого изучается, находится в цилиндрической трубке, а по оси натянута металлическая проволока. Проволока служит одновременно источником тепла и термометром сопротивления. Через проволоку пропускается электрический ток и она нагревается, а наружная поверхность трубки поддерживается при постоянной температуре. Если считать, что тепло идет от проволоки через газ по радиусу, то изотермическими поверхностями в газе будут цилиндрические поверхности с общей осью - осью проволоки.
Плотность теплового потока через изотермическую поверхность радиусом r равна:
, (7)
где W=IU - тепловая мощность, выделяемая током I проходящим по проволоке длиной L при напряжении U. Разделяя переменные, уравнение (7) можно записать в виде:
.
Поставим пределы интегрирования:
, (8)
где Т- температура нити, она разная при разных значениях тока в ней,
Тк- комнатная температура, определяется по термометру,
rт- радиус трубки (указан на установке),
rн- радиус нити (указан на установке).
После интегрирования получим:
. (9)
Из последнего выражения (9) получим формулу для расчета коэффициента теплопроводности:
(10)
В формуле (10) настоящей работы сила тока I и напряжения U на концах проволоки определяется по показаниям электроизмерительных приборов на установке. Температуру нити Т можно определить следующим образом.
Сопротивление нити Rк проволоки при комнатной температуре Тк определяется формулой:
, (11)
где R0 – сопротивление нити при 0оС,
Т0 = 2730К, и, следовательно;
.
Следовательно:
,
из последнего выражения находим Т:
(12)
здесь a = 6,5.10-3 K-1 - температурный коэффициент сопротивления железной нити, используемой в настоящей работе; R – сопротивление нити при данном значении тока и напряжения; Rк - сопротивление нити при комнатной температуре Тк, оно определяется путем экстраполяции, т.е. продолжением графика зависимости сопротивления R от тока I до значения I=0.
Наконец, сопротивление проволоки R, по которой протекает ток, может быть определено с помощью показаний амперметра и вольтметра по закону Ома:
. (13)