Методические указания к проведению лабораторных работ по физике и естествознанию

Министерство общего и профессионального образования   Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение  Свердловской области «Уральский политехнический колледж – Межрегиональный центр компетенций» Свердловской области  МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ  Екатеринбург 2018 Методические   указания   к   выполнению   лабораторных   работ   по   физике предназначены   для   использования   при   выполнении   лабораторных   работ   по физике студентов 1 курса ГАПОУ СО «Уральский политехнический колледж­ МЦК» специальностей технического профиля, а также лабораторных работ по естествознанию (раздел Физика) студентов социально­экономического профиля.  Сборник   содержит   19     указаний   к   лабораторным   работам.   Структура каждой   работы   содержит   помимо   цели   и   оборудования,   краткую   теорию     и контрольные вопросы. При выполнении лабораторной работы студенты должны заполнять отчет, содержащий следующие элементы 1. 2. 3. 4. 5. Дату выполнения Название работы. Цель работы Оборудование Ход работы (все действия должны быть прописаны от собственного лица,  в настоящем или прошедшем времени, измерения должны быть записаны, с   указанием   единиц   измерения,   математические   расчеты   должны   быть полностью     прописаны,   таблицы   и   графики   выполняются   карандашом   и   с помощью линейки). Вывод по работе 6. Вывод должен начинаться словами: В данной лабораторной работе я …. В выводе должны быть кратко расписаны ответы на вопросы: «Что делали в данной лабораторной работе?» и «Какой результат получили?» 7. Если предусмотрено, то отвечаем на контрольные вопросы. Оценка лабораторных работ: Отметка «5» ставится, если студент выполняет работу в полном объеме с соблюдением   необходимой   последовательности   проведения   опытов   и измерений;   самостоятельно   и   рационально   монтирует   необходимое оборудование;   все   опыты   проводит   в   условиях   и   режимах,   обеспечивающих получение   правильных   результатов   и   выводов;   соблюдает   требования   правил безопасности   труда;   правильно   и   аккуратно   выполняет   все   записи,   таблицы, рисунки,   чертежи,   графики,   вычисления;   правильно   выполняет   анализ погрешностей. Отметка «4» ставится, если выполнены требования к оценке «5», но было допущено два­три недочета; не более одной негрубой ошибки и одного недочета. Отметка  «3» ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной   части   таков,   что   позволяет   получить   правильный   результат   и вывод; если в ходе проведения опыта и измерения были допущены ошибки. Отметка  «2»   ставится,   если   работа   выполнена   не   полностью   и   объем выполненной   части   работы   не   позволяет   сделать   правильных   выводов;   если опыты, измерения, вычисления, наблюдения проводились неправильно. Перечень ошибок Ошибка считается грубой, если студент: 1)   не   знает   определений   основных   понятий,   законов,   правил,   основных положений теории, формул, общепринятых символов обозначения физических величин, их единиц; 2) не умеет выделить в ответе главное; 3) не умеет применять знания для решения задач и объяснения физических явлений; неправильно формулирует вопросы задачи или неверно объясняет ход ее решения; не знает приемов решения   задач,   аналогичных   ранее   решенным   в   классе,   неправильно понимает условие задачи или истолковывает решение; 4) не умеет читать и строить графики и принципиальные схемы; 5)   не   умеет   подготовить   к   работе   установку   или   лабораторное оборудование,   провести   опыт,   необходимые   расчеты   или   использовать полученные данные для выводов; 6) не умеет определять показание измерительного прибора; 7)   нарушает   требования   правил   безопасности   труда   при   выполнении эксперимента. К негрубым ошибкам относятся: 1)   неточности   формулировок,   определений,   понятий,   законов,   теорий, вызванные   неполнотой   охвата   основных   признаков   определяемого   понятия, ошибки, вызванные несоблюдением условий проведения опыта или измерений; 2)   ошибки   в   условных   обозначениях   на   принципиальных   схемах, неточности чертежей, графиков, схем; 3)   пропуск   или   неточное   написание   наименований   единиц   физических величин; 4) нерациональный выбор хода решения. Недочетами считаются: 1)   нерациональные   записи   при   вычислениях,   нерациональные   приемы вычислений, преобразований при решении задач; 2)   арифметические   ошибки   в   вычислениях,   если   эти   ошибки   грубо   не искажают реальность полученного результата; 3) отдельные погрешности в формулировке вопроса или ответа; 4) небрежное выполнение записей, чертежей, схем, графиков; 5) орфографические и пунктуационные ошибки. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА Цель   работы:  Изучить   законы   математического   маятника   и   определить ускорение свободного падения Оборудование:  Маятник   (шарик   на   подвесе),   линейка,   секундомер   или часы с секундной стрелкой. Краткая теория: Математический   маятник   —   осциллятор,   представляющий   собой механическую   систему,   состоящую   из   материальной   точки,   находящейся   на невесомой  нерастяжимой  нити  или  на невесомом стержне в  однородном  поле сил тяготения.  Длиной   маятника   l называется   расстояние   от точки   подвеса   до   центра тяжести шарика.   Для   практического расчета   периода   колебаний пользуются формулой: l  , где Т­период колебаний,  t – время колебаний,  n – число полных колебаний. Согласно   законам   колебаний   период   маятника   можно   определить   по формуле: , Период колебаний математического маятника не  зависит от массы шарика. Период колебания математического маятника прямо   пропорционален   длине   маятника   и   обратно пропорционален   ускорению   свободного   падения. Данное уравнение  называется формулой Гюйгенса. Историческая справка Христиан   Гюйгенс   ван   Зёйлихем  (14   апреля 1629—   8   июля   1695,).   голландский   физик, математик,   механик   и   астроном   и   изобретатель. Родился   в   Гааге.   Обучался   в   Лейденском университете юридическим наукам, но не прекращал занятия   математикой.   Опираясь   на   исследования Галилея, он решил ряд задач механики. В 1656 году в возрасте   27   лет   им   были   сконструированы   первые маятниковые   часы   со   спусковым   механизмом.   Создание   часов,   измеряющих время с невиданной для той поры точностью, имело далеко идущие последствия для развития физического эксперимента и практической деятельности человека. До этого ведь время измеряли по истечению воды, горению факела или свечи. Созданная   Гюйгенсом   к   1673   году   теория   колебаний   явилась   одним   из оснований для понимания потом природы света.  Из формулы Гюйгенса   путем математических преобразований получаем выражение для ускорения свободного падения: Реальной   моделью   математического   маятника   в   наших   опытах   будет служить   небольшой   шарик,   подвешенный   на   тонкой   упругой   нити.   Размеры шарика должны быть малы по сравнению с длиной нити. Это дает возможность считать, что вся масса сосредоточена в одной точке, в центре тяжести шарика. Ход работы: Определить цену деления приборов: 1. линейка ……..м/дел. секундомер…….с/дел. 2. Определить погрешность приборов (абсолютная погрешность приборов равна ½ цены деления): линейка Δl=……..м секундомер Δt=…….с 3. Установить максимальную длину маятника  и измерить ее l1 =….м. 4. Запустить маятник (угол отклонения 10­150) и за время t подсчитать число колебаний  n (не менее 7). 5. 6. Рассчитать период колебаний Т=…..с. Изменяя число колебаний повторить опыт еще 3 раза. t2=………,  n2=………….  T2=………, t3=………,  n3=………….  T3=………, t4=………,  n4=………….  T4=………, 7. 8. 9. Рассчитать среднее значение периода колебаний Тср=…..с. Рассчитать значение ускорения свободного падения g=……м/с2. Изменить длину маятника l2=….м и повторить все измерения. о г о н д о б о в с   е и н е р о к с У . 2 с / м   , g   , я и н е д а п 10. Данные занести в таблицу. , е и н е ч а н з   е е н д е р С с   ,   р с Т   , а д о и р е п й и н а б е л о к д о и р е П с   ,   Т , й и н а б е л о к   я м е р В с   , t , й и н а б е л о к о л с и Ч n   , а к и н т я а м   а н и л Д м   , l я и н е р е м з и №   1 2 а т ы п о №   1 2 3 4 1 2 3 4 е и н е ч а н з   е е н д е р С о г о н д о б о в с   я и н е р о к с у . 2 с / м   ,   р с g   , я и н е д а п lср= tср= 11. Рассчитать   относительную   и   абсолютную   погрешность   измерения ускорения свободного падения: относительная: абсолютная: ,  12.  Записать результат в виде: g=gср±Δ,   Ответить на контрольные вопросы. 13. Сделать выводы по работе. 14. Контрольные вопросы: 1. 2. Какую длину имеет математический маятник с периодом 2 с? Найдите   массу   груза,   который   на   пружине   жесткостью   250   Н/м делает 20 колебаний за 16 с. 3. Ускорение свободного падения на Луне равно 1,7 м/с2.Каким будет период колебаний математического мятника на Луне, если на Земле он равен 1 с? Зависит ли ответ от массы груза? 4. Координата   колеблющегося   тела   изменяется   по   закону   х=0,5sin π 45 t.Чему равна амплитуда и период колебаний? 5. Амплитуда незатухающих колебаний точки 12 см, линейная частота 14 Гц, начальная фаза колебаний равна 0. Написать уравнение движения точки х=х(t). Цена деления шкалы Разность   (без   учёта   знака)   между   значениями   физической   величины, соответствующими  отметкам  шкалы,  ограничивающими  деление.  В цифровых приборах     характеристикой,   заменяющей   цену   деления   шкалы,     служит   шаг дискретности. Чтобы подсчитать цену делений шкалы, нужно: а) выбрать на шкале два ближайших оцифрованных штриха;  б) сосчитать количество делений между ними;  в)   разность   значений   (из   большего   вычесть   меньшее)  около   выбранных штрихов разделить на количество делений.  На   этом   рисунке   в крупном масштабе показана шкала термометра. Проиллюстрируем   с   ее помощью   правило   для вычисления цены деления.     а) выбираем оцифрованные штрихи 20 °С и 40 °С  б) между ними 10 делений (промежутков)  в) вычисляем: (40 °С – 20 °С) : 10 делений = 2 °С/дел.  Ответ:   цена делений = 2 °С/дел,   У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления   указывается   цена   единицы   младшего   разряда   числа   в   показании прибора. Пример:  1) цена деления шкалы данного прибора составляет 1(условных ед.)/дел. 2)   цена   деления   шкалы   данного   прибора   составляет   0,01(условных ед.)/дел. 3) цена деления шкалы данного прибора составляет 0,1(условных ед.)/дел. 4)   цена   деления   шкалы   данного   прибора   составляет   0,001(условных ед.)/дел. 10 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ВОЗДУХА Цель работы:  Определить массу воздуха в классе, используя уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева­Клапейрона). Оборудование: Линейка (рулетка), термометр спиртовой, барометр. Краткая теория: Газы нередко бывают реагентами и продуктами в химических реакциях. Не   всегда   удается   заставить   их   реагировать   между   собой   при   нормальных условиях. Поэтому нужно научиться определять число молей газов в условиях, отличных   от   нормальных.   Для   этого   используют   уравнение   состояния идеального газа (его также называют уравнением Клапейрона­Менделеева)/ Уравнение   состояния   газа—функциональная   зависимость   между   тремя основными параметрами состояния термодинамической системы, находящейся в равновесном состоянии — объемом V, давлением р и абсолютной температурой Т. Уравнение состояния в термодинамике получают либо опытным путем, либо выводят теоретически, на основе представлений о строении вещества (для простейших систем). В   1874   году   Д.И.Менделеев   определил   уравнение   состояния   для произвольной   массы   идеального   газа,   называемое     уравнением   Менделеева­ Клапейрона: где р—давление газа, V — объем газа,  m—масса газа,  —молярная масса, Т­   — абсолютная   температура,  R—универсальная   газовая   постоянная,   число молей газа (количество вещества). Универсальная   газовая   постоянная  R  —   универсальная   физическая константа, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. R=8,31441   11 Уравнение   Менделеева­Клапейрона   с   определенной   степенью   точности может быть применено и к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (например, к атмосферному воздуху). Воздух   —   смесь   газов,   составляющих   земную   атмосферу.   Объемный состав воздуха: азот — 78,08%, кислород — 20,95%, водород и инертные газы — 0,94%, углекислый газ — 0,03%, водяной пар, озон, метан и другие примеси. Молярная масса воздуха 2910­3 кг/моль, плотность при нормальных условиях 1,293   кг/м3.   Абсолютный   показатель   преломления   1,00029,   диэлектрическая проницаемость 1,000059. Историческая справка  В 1834 г. Французский физик Б. Клапейрон, работавший длительное время в   России   (Петербурге),   вывел   уравнение   состояние   идеального   газа   при постоянной массе газа (m=const). Обобщив уравнение Клапейрона и введя понятие универсальной газовой постоянной, русский ученый Д. И. Менделеев в 1874 г. вывел общее уравнение для состояния идеального газа. ( уравнение Менделеева – Клапейрона) С   помощью   данного   уравнения   можно   описывать   процессы   сжатия   и расширения, нагревания и охлаждения идеального газа. Клапейрона, Бенуа Поль Эмиль  (Clapeyron,   Benoît   Paul   Emile)   (1799–1864), французский физик и инженер.  Родился 26 января 1799 в Париже.  Окончил   Политехническую   школу   (1818). Работал   в   Институте   инженеров   путей   сообщения   в Петербурге (1820–1830).  По  возвращении  во   Францию   стал профессором Школы мостов и дорог в Париже.  Работы   Клапейрона   посвящены   тепловым процессам.   В   1834   он   ввел   в   термодинамику графический   метод,   представив   в   геометрической форме   рассуждения   Карно.   В   том   же   году   вывел уравнение   состояния   идеального   газа   (уравнение Клапейрона), объединяющее закон Бойля – Мариотта, закон Гей­Люссака и закон Авогадро. Это было наиболее простое соотношение, применимое с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (в 1874 оно было обобщено .Менделеевым и теперь известно как уравнение Менделеева – Клапейрона). Получил уравнение, связывающее   между   собой   температуру   кипения   (или   плавления)   веществ   и давление   (уравнение   Клапейрона   –   Клаузиуса;   последний   обосновал   это уравнение в 1851).Умер Клапейрон в Париже 28 января 1864.  12 Менделеев Дмитрий Иванович (8.II.1834–2.II.1907)   Русский   ученый­ энциклопедист.   Ранние   научные   работы посвящены   изучению   изоморфизма   и   удельным объемам (1854–56). Открыл (1860) «температуру абсолютного   кипения   жидкостей».   Автор фундаментального   труда   «Основы   химии», выдержавшего   при   жизни   Д.   И.   Менделеева восемь   изданий.   В   ходе   работ   над   первым изданием   пришел   к   идее   о   периодической зависимости свойств химических элементов от их атомных   весов.   В   1869–1871   изложил   основы учения о периодичности, открыл периодический закон   и   разработал   периодическую   систему химических   элементов.   На   основе   системы   впервые   предсказал   (1870) существование и свойства нескольких не открытых еще элементов, в том числе «экаалюминия»   –   галлия   (открыт   в   1875),   «экабора»   –   скандия   (1879), «экасилиция» – германия (1886). Осуществил фундаментальный цикл работ по изучению   растворов,   разработав   гидратную   теорию   растворов.   Создал   (1873) новую   метрическую   систему   измерения   температуры.   Нашел   (1874)   общее уравнение   состояния   идеального   газа,   обобщив   уравнение   Клапейрона (уравнение Клапейрона–Менделеева). Определить предел измерения приборов: Определить цену деления приборов:   Ход работы: 1. линейка (рулетка) ……..м барометр…….Па термометр ……0С 2. линейка ……..м/дел. барометр…….Па/дел. термометр ……К(0С)/дел. 3. приборов равна ½ цены деления): линейка l=……..м барометр р=…….Па термометр Т=……К 4. Длина l=………м Ширина s=……м Высота h=…….м 13 Определить размеры кабинета (класса): Определить   погрешность   приборов   (абсолютная   погрешность Рассчитать объем воздуха в кабинете: Определить атмосферное давление (в паскалях и мм рт. ст.) 5. V=…..м3. 6. р=………Па,  7. Т=……..К,  8. m=…….кг 9. относительная: Определить температуру воздуха в кабинете: р=……мм рт.ст. t=…….0С. Рассчитать массу воздуха в кабинете: Рассчитать погрешности измерения абсолютная: Записать результат в виде: 10. m=m  m 11. Сделать выводы по работе. 12. Ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы: 1. Определить   плотность   водорода   при   давлении   700   мм   рт.ст.   и Какой объем занимает 3,5 кг азота при температуре 200С и давлении нормальной температуре. 2. 5 МПа? 3. Определить температуру воздуха массой 600 г, который занимает объем 8 м3 при нормальном давлении. 4. Масса углекислого газа 45 кг. Какой объем займет данная масса газа при нормальных условиях? 14 Пример решения задач 1.   Определить   плотность   углекислого   газа   водорода   при   нормальном Решение: Плотность вещества определяется по формуле: , где m – масса вещества, V­ объем. давлении и температуре 270С. Дано: СО2 Т=270С=300 К р=101325 Па Найти: =?ρ Используя уравнение Менделеева­Клапейрона Преобразуем : , заменим отношение   и выразим плотность , где R – универсальная газовая постоянная  R=8,31 Молярная масса углекислого газа равна μ=44∙10­3кг/моль Ответ : плотность углекислого газа равна  2.Какой объем занимает 300 г водорода при температуре 150С и давлении Решение: Используя уравнение Менделеева­Клапейрона выразим объем: ,  где  R  –   универсальная   газовая   постоянная    R=8,31 2,5 МПа? Дано: Н2 m=300г=0,3 кг Т=150С=288 К р=2,5МПа= 2,5∙106 Па Найти: V=? Молярная масса водорода равна μ=2∙10­3кг/моль 15 Ответ : объем водорода  равен  16 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПРОВЕРКА ГАЗОВЫХ ЗАКОНОВ ПРОЫКРКА ЗАКОНА БОЙЛЯ­МАРИОТТА Цель   работы:  проверить   закон   Бойля­Мариотта   для   изотермического процесса Оборудование:  цилиндр   переменного   объёма   (сильфон),   манометр демонстрационный, резиновая трубка, испытуемый газ­воздух. Краткая теория. Если   некоторое   количество   газа   поместить   в   герметичный   резервуар   и начать   его   нагревать   или   охлаждать,   сжимать   или   расширять   –  то   основные параметры газа: р – давление, V – объем, Т – абсолютная температура будут изменяться   согласованным   образом,   подчиняясь   основному   газовому   закону Менделеева­Клапейрона:  Здесь   ν   –   число   молей   (количество   вещества),   R   =   8,31     – универсальная газовая постоянная.  Для выполнения основного газового закона важно также, чтобы:  а) б) в) газ был близким к идеальному (не слишком плотным);  химический состав газа (или смеси газов) не менялся;  процесс   осуществлялся   достаточно   медленно,   без   вывода   газа   из равновесного состояния.  Экспериментальное   изучение   газовых   процессов   в   условиях,   когда одновременно изменяются все три основных параметра газа р, V и Т, достаточно затруднено.   Гораздо   легче   установить   количественные   зависимости   между двумя параметрами газа при неизменном значении других. В частности, если в процессе   сжатия   или   расширения   газа   остается   неизменной   температура,   то связь между давлением и объемом газа выражается законом Бойля­Мариотта:  Такой процесс называется изотермическим.  Реализовать   изотермический   процесс   можно,   если,   например,   медленно сжимать   или   расширять   газ,   помещенный   в   герметичный   тонкостенный резервуар.   При   условии,   что   изменение   объема   газа   происходит   достаточно медленно   и   стенки   резервуара   обладают   достаточной   теплопроводностью, температура   газа   в   резервуаре   будет   оставаться   постоянной   и   равной температуре   внешней   среды.   Именно   такой   процесс   изучается   в   настоящей работе.  17 Закон   Бойля­Мариотта   для   изотермического   процесса,   т.е.   процесса, протекающего при постоянной температуре (Т1=Т2), является частным случаем объединенного газового закона: или р1∙V1=р2V2 , Можно   сказать,   что   давление   данной   массы   газа   при   постоянной температуре изменяется обратно пропорционально его объёму. Историческая справка Из   газовых   законов   первым   был   открыт   закон,   устанавливающий   связь давления   газа   с   занимаемым   им   объемом.   Он   был   опубликован   в   1660   г. английским физиком Робертом Бойлем. Существует предание, что Бойль боялся смерти   только   по   одной   причине:   на   том   свете   уже   все   известно   и   нет необходимости заниматься экспериментами. Закон   Бойля   в   1679   г.   был   переоткрыт   французским   физиком   Эдмом Мариоттом. Во Франции этот закон до сих пор называют законом Мариотта. При этом никто не оспаривает приоритета Бойля. Но дело в том, что Бойль свое открытие   считал   просто   интересным   свойством   воздуха,   тогда   как   Мариотт этому закону нашел разнообразные применения, в частности, показал как вести расчет высоты местности по показаниям барометра. БОЙЛЬ Роберт(25 января 1627 г. – 31 декабря 1691 г.)  Британский   физик,   химик   и   богослов   Роберт Бойль   родился   в   ирландском   замке   Лисмор.   Роберт был седьмым сыном Ричарда Бойля, графа Коркского. Отец   предоставил   ему   возможность   получить разностороннее образование, в том числе и в области естествознания   и   медицины:   в   1635­1638   гг.   Бойль учился   в   Итонском   колледже,   а  в 1639­1644  гг. –  в Женевской академии.  Сначала   Бойль   занимался   религиозными   и философскими   вопросами,   затем   (с   1654   г.),   переселившись   в   Оксфорд, обратился   к   исследованиям   в   области   химии   и   физики,   приняв   участие   в работах   научного   общества,   прозванного   «невидимой   коллегией»   (Invisible College), так как оно собиралось то в Оксфорде, то в Лондоне. В 1660 г. по его инициативе было создано Лондонское королевское общество. В 1665 г. Бойль получил степень почётного доктора физики Оксфордского университета. В 1668 г.   он   обосновался   в   Лондоне,   где   в   1680   г.   был   избран   президентом Королевского   общества   (организованного   в   1663   г.   на   основе   «невидимой коллегии»), но отказался от этой должности.  18 Научная деятельность Бойля посвящена обоснованию экспериментального метода в физике и химии и развитию атомистической теории. Большое влияние на   взгляды   Бойля   оказала   философия     Фрэнсиса   Бэкона;   в   работах   Бойля встречается   немало   ссылок   на   мысли   Бэкона   о   естествознании   и   в   первую очередь о признании опыта за критерий истины. Исследования   в   области   физики   привели   Бойля   к   открытию   в   1660  г. закона изменения объёма воздуха при изменении давления. В результате своих экспериментальных   работ   по   количественному   изучению   процессов   обжига металлов, горения, сухой перегонки древесины, превращения солей, кислот и щелочей  Бойль ввёл  в  химию  понятие  анализа  состава  тел. В 1663  г. Бойль впервые применил индикаторы для определения кислот и щелочей. Исследуя состав минеральных вод (1684­1685 гг.), он пользовался отваром чернильных орешков   для   открытия   железа   и   аммиаком   для   открытия   меди.   Описывая свойства   фосфора   (полученного   Бойлем   в   1680   г.   независимо   от   других химиков), Бойль указывал его цвет, запах, плотность, способность светиться, его отношение   к   растворителям.   Многочисленные   наблюдения   Бойля   положили начало аналитической химии. Важнейшей   работой   Бойля   стала   книга   «Химик­скептик»,   вышедшая   в 1661   г.   В   ней   Бойль,  опираясь   на   опытные   данные,  убедительно   опроверг   и аристотелевское   учение о четырёх стихиях (огне, воздухе, воде и земле), и учение алхимиков о   трёх принципах (сере, ртути и соли), из которых якобы состоят все природные тела.  Значительное внимание Бойль уделял практической химии. Для развития горного дела и металлургии большое значение имели введённые Бойлем методы анализа руды мокрым путём, а также обоснованная им замена древесного угля каменным.  МАРИОТТ Эдм (1620 г. – 12 мая 1684 г.) –     французский   физик,   один   из   основателей (1666)   и   первых   членов   Парижской   академии наук.   Родился   в   Дижоне.   Был   настоятелем монастыря Святого Мартина близ Дижона. Научные   работы   относятся   к   механике, теплоте,   оптике.   В   1676   г.   установил   закон изменения   объёма   данной   массы   газа   от давления   при   постоянной   температуре   (закон Бойля – Мариотта; этот закон был открыт и опубликован в 1662 г.  Р. Бойлем). Предсказал разнообразные применения этого закона, в частности расчёт высоты местности по данным барометра. Описал многочисленные опыты п о изучению течения   жидкостей   по   трубам;   экспериментально   подтвердил   формулу   Э. Торричелли   относительно   скорости   истечения   жидкости.   Исследовал   высоту подъёма   фонтанов   и   составил   таблицы   зависимости   высоты   подъёма   от диаметра отверстия. Изучал столкновение упругих тел, колебания маятника. В 19 «Трактате об ударе или соударении тел» (1678) обобщил исследования в этой области. Доказал увеличение объёма воды при замерзании. Обнаружил в 1666 г. слепое   пятно   в   глазу,   исследовал   цвета,   в   частности   цветные   кольца   вокруг Солнца и Луны, изучал радугу, дифракцию света, лучистую теплоту, показал различие   между   тепловыми   и световыми   лучами.   Изготовил   ряд различных физических приборов. Ход работы: 1. Рассмотреть демонстрационную установку. Демонстрационная   установка металлического     из состоит гофрированного   цилиндра   переменного   объёма   (сильфона)   1,   манометра   2   и резинового   шлага   3.   Прикрепленная   к   сильфону   демонстрационная   шкала   4 позволяет измерять объём воздуха в цилиндре в условных единицах.  Определить цену деления приборов: 2. манометр…………атм./дел. сильфон…………..условная единица объёма/дел. 3. При закрытом кране манометра определить показания приборов: р1=…….атм. V1=……..у.е.о. р0= 1 атм. Увеличивая   объём   воздуха   в   сильфоне   определить   показания 4. Относительная погрешность, , %   манометра. Повторить опыт 3 раза. Данные занести в таблицу. а Показания т ы манометра, п о р, атм. № 1 2 3 Давление   в сильфоне, р=р0+р, атм. Объём,  V, у.е.о. Постоянная С, С=рV, атм. у.е.о. е е н д е р С е и н е ч а н з рср= Vср= Сср= 20 Рассчитать относительную погрешность:   ….  где Vср=0,5 у.е.о., рср=0,025 атм. р, атм. 5. По   результатам   опыта построить график в осях р­V 6. Записать   результат   опыта   в виде С=Сср Сделать выводы по работе. Ответить на контрольные вопросы. 7. 8. Контрольные вопросы 1. V, у.е.о. Газ при температуре 310 К занимает объем 250 см3  . Какой объём займет   этот   же   газ   если   температура   его   повысится   до  500С.   Давление   газа считать постоянным. 2. Сосуд   вместимостью   15л,   содержащий   газ   при   давлении   30   бар, соединили,   при постоянной температуре, с   другим сосудом объемом 5л из которого полностью откачан воздух. Найти конечное значение давления. 3. Газ находится в баллоне неизменного объема при температуре 150С и давлении 750 мм рт.ст. При какой температуре давление данного газа  станет равным 650 мм рт.ст. 4. Газ при давлении 30кПа и температуре 100С занимает объем 95л . Найти объем этого газа при нормальных условиях. 21 Пример решения задач 1. В результате изобарного расширения объем газа увеличился до 800 см3.   При   этом   температура   газа   возросла   от   200С   до   400К.   Найти первоначальный объем газа. Дано: V2=800 см3=800∙10­6м3 Т1=200С=297К Т2=400К  р=const Найти: V1=? Решение: Для изобарного расширения выполняется закон Гей­Люссака,   что изменение   объема   прямо   пропорционально изменению   температуры   при   постоянном давлении и неизменной массе газа, т.е.   из   которого   следует, ,  Выразим первоначальный объем: Ответ:   первоначальны   объем   газа     равен 2. При нормальных условиях газ занимает объем 10 л. Найти объем этого газа, если температура возросла на 500С, а давление увеличилось  в 2 раза. Дано: V1=10 л=10­2м3 Т1=273К р1=101325 Па ΔТ=50К р2=2∙ р1 Найти: V2=? Решение: Для   термодинамического   процесса   используем уравнение Клапейрона: Выразим конечный объем газа: ,  При этом по условию задачи: ΔТ=Т2­Т1  Т2=Т1+ΔТ р2=2∙р1 22 Ответ: конечный объем газа равен  23 3.   В закрытом металлическом баллоне находится газ при температуре 295 К и давлении 740 мм.рт.ст. Каким станет давление, если газ будет нагрет на 100 К?  Дано: Т1=295К р1=740 =98420Па V=const ΔТ=100К Найти: p2=? Решение: Для  изохорного процесса выполняется  закон Шарля, который гласит, что при постоянном объеме изменение температуры   прямо   пропорционально   изменению давления: ,  мм.рт.ст. Выразим конечный объем газа: При этом по условию задачи: ΔТ=Т2­Т1  Т2=Т1+ΔТ Ответ: конечное давление газа равно  4. Два сосуда вместимостью 6 и 4 л соединены трубкой с краном, как показано на рисунке. Давление газа   в   большем   сосуде   3   бара,   в   меньшем   газ отсутствует. Какое установится давление после того, как   кран   будет   открыт?   Процесс   считать изотермическим. Вместимостью соединительной трубки пренебречь. Дано: V1=6 л=6∙10­3м3 V2=4 л=4∙10­3м3 р1=3 бар =3∙105 Па Т=const Решение: Для   изотермического   процесса   выполняется закон   Бойля­Мариотта:   при   постоянной температуре   изменение   объема   обратно пропорционально изменению давления: р1∙V1=р2V2 ,  Выразим конечный объем газа: При   этом   по   условию   задачи     первый   сосуд, 24 соединяется   со   вторым,   в   котором   газ отсутствует,   т.е.   конечный   объем   равен   сумме объемов обоих сосудов :V1+V2,    Ответ   :   конечное   давление   газа   равно 25 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Цель   работы:  закрепить   понятие   о   влажности   воздуха   и   способах   ее измерения; определить абсолютную и относительную влажность воздуха, точку росы;  научиться пользоваться   справочными таблицами: «Давление насыщенного водяного пара и его   плотность   при   различных   значениях   температуры»,   «Психрометрическая таблица»   приборами для измерения влажности воздуха – психрометром. Оборудование:  Психрометр,   психрометрическая   таблица,   таблица «Давление   и   плотность   насыщенного   водяного   пара   при   различных температурах». Краткая теория.  В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютной   влажностью   воздуха  а  ­   называется   плотность   водяных паров, находящихся в воздухе при данной температуре. Относительная   влажность   воздуха    показывает   сколько   процентов составляет абсолютная влажность от плотности насыщенного водяного пара при данной температуре: , где ρ0­плотность насыщенного водяного пара при данной температуре и определяется по таблице «Давление насыщенного водяного пара и его плотность при   различных   значениях   температуры»   Таким   образом,   относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. Для жилых помещений нормальной влажностью считается относительная влажность, равная 40 ­ 60 %. О влажности воздуха можно судить только по относительной влажности, так как при одной и той же абсолютной влажности в зависимости от температуры воздух может казаться или сухим или влажным. Относительную   влажность   воздуха   можно   определить   с   помощью психрометра.  26 Рисунок «Психрометры» Психрометр   или   психрометр   Августа   (см.рисунок)   состоит   из   двух термометров:   сухого   и   увлажненного.   На   шарике   увлажненного   термометра закреплен фитиль, конец которого опущен в чашечку с водой. Вода, испаряясь с фитиля   забирает   от   термометра   тепло,   поэтому     показания   увлажненного термометра  ниже,  чем  у  сухого. По  показанию  сухого  и  разности  показаний сухого и увлажненного термометров с помощью психрометрической таблицы находится относительная влажность воздуха.  Температура, при которой охлажденный воздух становится насыщенным водяными парами, называется точкой росы Тр При   точке   росы   абсолютная   влажность   воздуха   равна   плотности насыщенного пара ρ0= ρa Запотевание   холодного   предмета,   внесенного   в   теплую   комнату, объясняется тем, что воздух вокруг предмета охлаждается ниже точки росы и часть имеющихся в нем водяных паров конденсируется. Ход  работы: 1. 2. Снять показания психрометра в различных частях класса. Пользуясь психрометрической таблицей определить относительную влажность воздуха. 3. Рассчитать абсолютную влажность воздуха и определить точку росы используя   таблицу     «Давление   и   плотность   насыщенного   водяного   пара   при различных температурах». 4. Результаты в таблицу: я и н е р е м з и №   1 2 3 е и н е ж о л о п о т с е М а р т е м о р х и с п о г о х у с   я и н а з а к о П , а р т е м о м р е т К   , с Т о г о н н е н ж а л в у   я и н а з а к о П , а р т е м о м р е т К   , у Т   и о г о х у с   й и н а з а к о п   ь т с о н з а Р , в о р т е м о м р е т   о г о н н е н ж а л в у ь т с о н ж а л в   я а н ь л е т и с о н т О %   ,      , а х у д з о в ь т с о н ж а л в   я а н т ю л о с б А 3 м / г к   , а    , а х у д з о в К   , р Т   , ы с о р   а к ч о Т К   , у Т ­ с Т 5. 6. Сделать выводы по работе. Ответить на контрольные вопросы. 27 Контрольные вопросы. 1. Почему   показания   влажного   термометра   психрометра   меньше показаний   сухого   термометра?   При   каком   условии   разность   показаний термометров наибольшая? 2. Температура   в   помещении   понижается,   а   абсолютная   влажность остается   прежней.   Как   изменится   разность   показаний   термометров психрометра? 3. 4. Почему после жаркого дня роса бывает более обильна? Относительная влажность воздуха при 200С равна 58%. При какой температуре выпадает роса? 5. Относительная влажность воздуха при температуре 293 К равна 44 %. Что показывает увлажненный термометр психрометра? 6. В комнате объёмом 150 м3 при температуре 300 К содержится 2,07 кг водяных паров. Определите относительную и абсолютную влажность воздуха. 28 Определение относительной влажности  по психрометрической таблице Определение   относительной   влажности   по   психрометрической   таблице осуществляется   следующим   образом.   По   вертикальному   левому   столбцу температур   психрометрической   таблицы   отмечается   величина   температуры, соответствующая   температуре   сухого   термометра  tc  .   По   горизонтальной верхней   строке   психрометрической   таблицы   выбирается   столбец, соответствующий разности температур сухого и увлажненного термометров (т. е tc­ tу). В точке пересечения горизонтальной строки, соответствующей показаниям сухого   термометра  tc    и   вертикального   столбца,   соответствующего   разности температур  tc­  tу  считывается   величина   относительной   влажности   воздуха   (в процентах) для данных условий проведения опыта. Например: Показания сухого термометра 180С (291 К)  tc =180С, а показания увлажненного термометра 150С (288 К) tу=150С, находим разность показания сухого и увлажненного термометров  tc­ tу = 180С­150С = 30С (3 К) В вертикальном столбике найдем показания сухого термометра (180С), а горизонтальной   строке   разность   показаний   сухого   и   увлажненного термометров(30С), и на пересечении данных показаний находим относительную влажность воздуха  =73%φ Психрометрическая таблица 29 А) Определение абсолютной влажности по известному объему воздуха  и  Определение абсолютной влажности содержанию водяного пара выполняется по уравнению Например:  В 6 м3 воздуха содержится 62 г водяного пара. Vвоздуха=6 м3 mводяного пара=62 г=62∙10­3 кг Тогда абсолютную влажность можно рассчитать: Б)   Определение   абсолютной   влажности   по   известной   относительной влажности   воздуха   и   температуре   воздуха   (показанию   сухого   термометра психрометра) выполняется по формуле Давление насыщенного водяного пара и его плотность при различных значениях температуры   и   с   использованием   таблицы   «Давление   и   плотность насыщенного водяного пара при различных температурах». Например:  Относительная влажность воздуха  =73%φ температура воздуха (показания сухого термометра) 180С (291 К) tc =180С, По таблице определяем плотность насыщенного водяного пара (ρ0) при данной температуре (180С)  По формуле рассчитываем абсолютную влажность воздуха: 30 Температура, при которой охлажденный воздух становится насыщенным Определение точки росы водяными парами, называется точкой росы Т р При   точке   росы   абсолютная   влажность   воздуха   равна   плотности насыщенного пара ρ0= ρa При   определение   точки   росы   используется   таблица   «Давление   и плотность насыщенного водяного пара при различных температурах» и значение абсолютной влажности ρa В колонке плотности находим значение наиболее близко совпадающее со значением ρa и проецируем на колонку температур, полученное значение и есть точка росы Тр Например: Давление насыщенного водяного пара и его плотность при различных значениях температуры Абсолютная влажность воздуха равна:  Находим   в   колонке   плотности   находим   значение   наиболее   близко   Проецируем в совпадающее со значением ρa.  В данном случае это   горизонтальном направлении на колонку температур; полученное значение 130С и есть точка росы Тр=130С 31