metodichka_molekulyarka_i_mekhanika

Из формулы (5) видно, что для определения α необходимо знать поток тепла от проволоки к стенке, геометрические размеры трубки, проволоки и температуру стенки и проволоки.

В том случае, когда количество теплоты, передаваемое стенке конвекцией и излучением, а также тепловые потери через электровходы и торцы прибора малы по сравнению с количеством теплоты, передаваемым вследствие теплопроводности воздуха, можно считать, что подводимая электрическая мощность Р равна тепловому потоку, обусловленному теплопроводностью. Количество теплоты, выделившееся в единицу времени, можно определить по показаниям вольтметра и амперметра по закону Джоуля – Ленца:

где I – ток; U – напряжение на концах проволоки.

Температуру проволоки Т1 при различных силах тока можно определить, измеряя сопротивление проволоки и считая, что оно

где Ri – сопротивление проволоки при температуре ti; R0 – сопротивление проволоки при температуре 0 °С; σ – температурный коэффициент сопротивления.

Сопротивление проволоки измеряется с помощью амперметра и вольтметра.

По закону Ома для участка цепи

R = UI . (8)

При малых токах (~ 0,4 А и меньше) нить практически не нагревается и ее температура равна температуре окружающей среды t2. Этой температуре соответствует сопротивление проволоки R2. Нагревая проволоку, увеличиваем ток в цепи при помощи реостата 6. Для каждой определенной температуры ti будем получать значения Ri. Зная R2, R1, σ, t2, из уравнения (7) можно найти температуру нагретой проволоки t1:

121

Подставляя значения Q, r1, r2, l, t1 и t2 в формулу (5), получим α.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомьтесь с электроизмерительными приборами. Определите и запишите цену наименьшего деления шкалы каждого прибора.

2.Соберите измерительную схему (см. рис. 1).

3.КлючК должен бытьразомкнут, авыпрямитель 5 выключен.

4.Убедившись в правильности собранной схемы, включите выпрямитель, замкните ключ К и при помощи реостата установите значение тока I = (0,3 … 0,4) А. Запишите значение напряжения при этом токе.

Вычислите сопротивление проволоки при температуре охлаждающей воды и при отсутствии охлаждения, т.е. при температуре окружающей среды.

5.Снять зависимость U = f (I) при следующих значениях

тока: I = 1,4; 1,6; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8 А с интервалом в 4 мин.

6. Вычислите сопротивления R1, R2, подводимую мощность P, температуру проволоки t1, значения коэффициента теплопро-

водности α, температуру газа определите как tcp = t1 + t2 .

2

7. Постройте график зависимости коэффициента теплопроводности от температуры.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается механизм теплопроводности?

2.От чего зависит коэффициент теплопроводности идеального газа?

3.Как зависит α от температуры и почему?

122

4.Как с точки зрения молекулярно-кинетической теории объяснить независимость α идеальных газов от давления? (При не слишком малых давлениях.)

5.Как скажется на значении α пренебрежение потерями количества теплоты через торцы и потерями на излучение? Как скажется пренебрежение явлением конвекции?

Список рекомендуемой литературы

1.Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 1 / И. В. Са-

вельев. – M. : Наука, 1982. – 432 с.

2.Лабораторные занятия по физике / под ред. Л. Л. Гольди-

на. – М. : Наука, 1983. – 340 с.

Лабораторная работа № 2-9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ВОЗДУХА ИГАЗОВОЙПОСТОЯННОЙМЕТОДОМОТКАЧКИВОЗДУХА

Цель работы: изучение уравнения состояния идеального газа (изохорический процесс).

Оборудование: баллон для воздуха, установка для взвешивания или технические весы, манометр, термометр, разновесы.

Введение

Для характеристики масс атомов и молекул применяются величины, получившие название относительной атомной массы элемента (сокращенно – атомной массы) и относительной молекулярной массы вещества (сокращенно – молекулярной массы).

Атомной массой химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома С12 (изотоп углерода с массовым числом 12). Молекулярной массой вещества называется отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома С12. Как следует из этих определений, атомная и молекулярная массы являются безразмерными величинами.

123

Единица массы, равная 1/12 массы атома С12, называется

атомной единицей массы (а.е.м.).

Количество вещества, в котором содержится число частиц (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода С12, называется молем. Употребляются также кратные и дольные единицы: киломоль, миллимоль, микромоль и т.д.

Число частиц, содержащихся в моле вещества, называется числом Авогадро. Опытным путем найдено, что число Авогадро равно

NA = 6,022 1023моль−1.

Массу моля, выраженную в граммах или килограммах, на-

зывают молярной массой.

Определение молярной массы воздуха основано на уравнении состояния идеального газа. Состояние заданной массы газа определяется значениями трех параметров: давления Р, объема V и температуры Т. Эти параметры закономерно связаны друг с другом, так что изменение одного из них влечет за собой изменение других. Указанная связь определяется уравнением состояния идеального газа

Уравнение (1) справедливо лишь для идеального газа. Идеальным называется газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Всякий реальный газ при достаточном разрежении близок по своим свойствам к идеальному. Некоторые газы, такие как воздух, азот, кислород, даже при обычных условиях, т.е. при комнатной температуре и атмосферном давлении, мало отличаются от идеального газа.

Пусть воздух в открытом баллоне занимает объем V0 , масса его m1, давление атмосферное P1. Накачаем баллон воздухом до давления Р2. Теперь масса воздуха в баллоне будет m2.

124

Запишем уравнение (1) для этих двух состояний:

Вычитая из (3) (2), выразим молярную массу μ воздуха:

Таким образом, зная объем баллона при разных давлениях, можно найти молярную массу воздуха.

Описание установки

Экспериментальная установка, представленная на рисунке, содержит баллон 1 с манометром 2 и вентилем 3, воздушный компрессор 4 и устройство для взвешивания (на рисунке не показано).

Взвешивать необходимо с достаточно высокой точностью и на эту операцию обратить особое внимание.

Уравнение (1) позволяет определить и газовую постоянную R.

Порядок выполнения работы

1.Баллон с открытым краном взвесить на весах и опреде-

лить суммарную массу (m0+m1) колбы m0 и содержащегося в ней воздуха m1.

2.Накачать баллон до некоторого давления Р2. При этом манометр покажет разность между атмосферным давлением и давлением в баллоне (колбе).

3.Закрыть кран и на аналитических весах вновь определить

суммарную массу (m0+m2) колбы-баллона m0 и содержащегося в нем воздуха m2.

4.Определить массу откачанного воздуха как разность

(m0 + m2 ) − (m0 + m1 ) = m2 − m1 .

125

5.Измерить температуру воздуха в лаборатории.

6.Подсчитать по формуле (4) молярную массу воздуха.

7.Подсчитать газовую постоянную по формуле

8.Опыт произвести не менее трех раз.

9.Определить средние значения универсальной газовой постоянной и молярной массы воздуха, вычислить погрешность измерения μ и R .

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте закон Авогадро и определите согласно этому закону значение универсальной газовой постоянной.

2.Запишите уравнение состояния идеального газа в трех известных формах.

3.Что такое молярная масса воздуха?

4.От чего зависит молярная масса газа?

5.Какие измерения необходимо произвести, чтобы рассчитать газовую постоянную и молярную массу воздуха?

6.Каким другим способом экспериментально можно измерить универсальную газовую постоянную?

Дополнительное задание

Определить плотность воздуха и построить график зависимости ее от давления.

Список рекомендуемой литературы

1.Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 1 / И. В. Са-

вельев. – M. : Наука, 1982. – 432 с.

2.Лабораторный практикум по физике / под ред.

А. С. Ахматова. – М. : Высш. шк., 1980. – 360 с.

126

ФИЗИКА Методические указания к лабораторным работам по механике

и молекулярной физике

Составители БУТКОВСКИЙ Олег Ярославович ГРУНСКАЯ Любовь Валентиновна ДМИТРИЕВА Елена Валерьевна

и др.

Ответственный за выпуск – зав. кафедрой профессор В.Н. Кунин

Подписано в печать 10.05.07.

Формат 60х84/ 16. Усл. печ. л. 7,44. Тираж 1000 экз. Заказ

Издательство Владимирского государственного университета.

600000, Владимир, ул. Горького, 87.

128