Физика 10: Лабораторная работа 2

Изучение изобарного процесса

Цель: исследовать зависимость объёма газа данной массы от температуры при постоянном давлении.

Оборудование: прозрачная силиконовая трубка диаметром 8–10 мм и длиной 80–100 см с двумя зажимами (пробками) на концах; термометр; внешний стакан калориметра; измерительная лента (линейка); сосуд с водой при температуре 55–60 °С; сосуд с водой комнатной температуры.

Вывод расчётной формулы

Согласно закону Гей-Люссака, при постоянном давлении параметры V₁ и T₁ начального состояния газа данной массы и параметры V₂ и T₂ его конечного состояния связаны соотношением

$begin mathsize 18px style V subscript 1 over T subscript 1 equals V subscript 2 over T subscript 2. end style$

Исследуемым газом в выполняемой работе является воздух, находящийся внутри прозрачной силиконовой трубки с зажимами (пробками) на концах.

Поскольку внутренняя полость трубки имеет форму цилиндра и площадь S её поперечного сечения одинакова по всей длине трубки, то V₁ = Sl₁ и V₂ = Sl₂, где l₁ и l₂ — длины столба воздуха в трубке в начальном (рис. 230, а) и конечном (рис. 230, б) состояниях соответственно.

Следовательно, $begin mathsize 18px style fraction numerator S l subscript 1 over denominator T subscript 1 end fraction equals fraction numerator S l subscript 2 over denominator T subscript 2 end fraction end style$ или $begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 equals l subscript 1 over l subscript 2 end style$ .

При выполнении работы проверяют справедливость этого равенства.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте длину l₁ столба воздуха в трубке в начальном состоянии (см. рис. 230, а). Трубку плотно уложите внутри стакана калориметра, предварительно закрыв зажим, который располагается вблизи дна. Верхний зажим оставьте открытым.

2. Заполните стакан калориметра водой, предварительно нагретой до температуры 55–60 °С, так, чтобы конец трубки с верхним зажимом оказался погружённым в воду не более чем на 5–10 мм. Поместите термометр в воду. Наблюдайте за выделением из трубки пузырьков воздуха. Как только оно прекратится, определите значение температуры T₁ тёплого воздуха, находящегося в трубке.

3. Закройте верхний зажим, слейте нагретую воду и заполните стакан водой комнатной температуры до прежнего уровня (конец трубки с верхним зажимом должен быть погружённым в воду не более чем на 5–10 мм). Откройте верхний зажим. Через 1–2 минуты после установления теплового равновесия определите по показанию термометра температуру Т₂ воздуха, находящегося в трубке.

4. Закройте верхний зажим и слейте воду из стакана калориметра. Извлеките трубку, встряхните её и, расположив вертикально, измерьте длину ΔL столба воды, вошедшей в трубку (см. рис. 230, б).

5. Вычислите длину l₂ столба воздуха в трубке после охлаждения: l₂ = l₁ – ΔL.

6. Вычислите отношения $begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 end style$ и $begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 end style$ . Сравните полученные результаты и сделайте вывод.

Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу в тетради.

l₁, м	T₁, К	T₂, К	ΔL, м	l₂, м	$begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 end style$	$begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 end style$

7. Вычислите относительную погрешность ε₁ и абсолютную погрешность Δ₁ измерения отношения $begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 colon space straight epsilon subscript 1 equals fraction numerator increment T over denominator T subscript 1 end fraction plus fraction numerator increment T over denominator T subscript 2 end fraction end style$ , где ΔТ = Δ_иТ + Δ_оТ; Δ₁ = $begin mathsize 18px style straight epsilon subscript 1 T subscript 1 over T subscript 2 end style$ .

8. Вычислите относительную погрешность ε₂ и абсолютную погрешность Δ₂ измерения отношения $begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 colon space straight epsilon subscript 1 equals fraction numerator increment l over denominator l subscript 1 end fraction plus fraction numerator increment l over denominator l subscript 2 end fraction end style$ , где Δl = Δ_иl + Δ_оl; Δ₂ = $begin mathsize 18px style straight epsilon subscript 1 l subscript 1 over l subscript 2 end style$ .

9. Запишите результаты измерений в виде двойных неравенств:

$begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 end style$ − Δ₁ < $begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 end style$ < $begin mathsize 18px style T subscript 1 over T subscript 2 end style$ + Δ₁; $begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 end style$ − Δ₂ < $begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 end style$ < $begin mathsize 18px style l subscript 1 over l subscript 2 end style$ + Δ₂.

Сравните полученные интервалы значений и сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. При каких условиях для определения параметров состояния газа можно использовать уравнение V = сonst T?

2. Почему при выполнении данной работы процесс охлаждения воздуха можно считать практически изобарным?

3. Как определить, когда наступило выравнивание температуры воздуха в трубке и температуры нагретой воды в стакане калориметра?

Суперзадание

Используя оборудование для данной лабораторной работы, барометр-анероид и штангенциркуль, определите массу воздуха в трубке.