- •Лабораторний практикум
- •Модуль 1.Механіка Лабораторна робота № 1.1.Визначення залежності моменту інерції системи від розподілу її маси відносно осі обертання
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 1.2.Визначення динамічної в’язкості рідини методом стокса
- •Вказівки до виконання роботи
- •Вказівки до виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 1.3.Вивчення закономірностей руху маятника Максвела та визначення його моменту інерції
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 1.4.Вимірювання пружних характеристик матеріалів
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 1.5.Визначення коефіцієнта тертя кочення
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 1.6.Визначення швидкості кулі за допомогою балістичного маятника
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Модуль 2.Молекулярна фізика Лабораторна робота № 2.1. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин методом відриву кільця
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 2.2.Визначення коефіцієнта теплопровідності твердих тіл методом регулярного режиму
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи Спосіб 1
- •Спосіб 2
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 2.3.Перевірка основних газових законів
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 2.4.Визначення Cp/cv для повітря методом Клемана – Дезорма
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 2.5.Визначення температурного коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Модуль 3.Електрика та магнетизм Лабораторна робота № 3.1. Вивчення розподілу потенціалу електростатичного поля
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.2. Визначення опору провідника за допомогою амперметра і вольтметра
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.3.Градуювання гальванометра
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.4.Градуювання термопари
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.5. Визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля землі
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.6.Вивчення магнітного поля короткого соленоїда
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.7. Визначення питомого заряду електрона методом схрещених полів
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.8. Визначення ккд трансформатора
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 3.9.Визначення індуктивності котушки і дроселя
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Модуль 4. Коливальні та хвильові процеси. Оптика Лабораторна робота № 4.1.Визначення параметрів згасання коливань фізичного маятника
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 4.2.Дослідження резонансних характеристик коливального контуру
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 4.3.Визначення швидкості звуку в повітрі методом стоячих хвиль
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 4.4. Вивчення роботи релаксаційного генератора
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 5.1. Визначення довжини світлової хвилі за допомогою біпризми френеля
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 5.2.Визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційних ґрат
- •Вказівки до виконання роботи
- •Частина 1
- •Порядок виконання роботи
- •Частина 2
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 5.3.Дослідження поляризованого світла
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Модуль 5.Фізичні основи квантової та ядерної фізики Лабораторна робота № 5.6. Визначення роботи виходу електрона з металів методом гальмування фотоелектронів в електричному полі
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 6.1. Визначення енергетичної ширини забороненої зони напівпровідника
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 6.2. Вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникового випрямляча
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 6.3. Вимірювання світлової характеристики вентильного фотоелемента
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 7.1. Визначення активності радіоактивного препарату
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Лабораторна робота № 7.2. Визначення коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання різними матеріалами
- •Вказівки до виконання роботи
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні запитання
- •Список літератури
- •Додаток
Вказівки до виконання роботи
Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: внутрішня енергія газу; теплота та робота; перше начало термодинаміки; застосування першого начала термодинаміки до ізопроцесів; залежність теплоємності ідеального газу від виду процесу; адіабатичний процес; рівняння адіабати.
Література: [3, §50-55;4, т.1 §83, 87, 90;6, §§ 4.3, 4.6, 4.7; 5.3.2; 7, § 2.3].
Перед виконанням ознайомитись з вказівками до роботи № 2.3.
Стан деякої маси газу визначається трьома термодинамічними параметрами: тиском р, об’ємомVі температуроюТ.
Рівняння, що пов’язують ці параметри, називаються рівняннями стану.Для ідеальних газів таким рівнянням є рівняння Менделєєва – Клапейрона:
, (2.4.1)
де m – маса газу, – молярна маса,R – універсальна газова стала.
Одним з процесів, які можуть відбуватися в газах, є адіабатичний процес. Адіабатичний процес– це термодинамічний процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. У такому випадку термодинамічна система не отримує теплоти ззовні і не віддає теплоти назовні.
Перше начало термодинаміки:
. (2.4.2)
Оскільки для адіабатичного процесу δQ = 0, то з рівняння (2.4.2):
.
Тобто в адіабатичному процесі робота виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії термодинамічної системи.
В адіабатичному процесі, на відміну від ізопроцесів, змінюються всі три параметри – р,V,Т.
Використовуючи рівняння стану (2.4.1) та перше начало термодинаміки (2.4.2), можна отримати рівняння для адіабатичного процесу, які мають назву рівняння Пуассона:
; ;. (2.4.3)
У рівняннях (2.4.3) –коефіцієнт Пуассона, який визначають так:
, (2.4.4)
де і– молярні теплоємності за постійного тиску і об’єму відповідно.
Із кінетичної теорії газів випливає, що ,, деi–число степенів свободи, котре показує кількість незалежних рухів, які молекула ідеального газу здатна здійснити в просторі; i= 3 – для одноатомного газу, i= 5 – для двоатомного газу, i= 6 – для три- та багатоатомного газу (в даному випадку не враховуються коливальні степені вільності).
Тоді:
. (2.4.5)
Одним з найпростіших методів визначення відношення Cp/CVє метод Клемана і Дезорма, що ґрунтується на застосуванні адіабатичного процесу.
Експериментальна установка (рис. 2.4.1) складається зі скляного балонаА(ємністю 20 л), який за допомогою двох вакуумних гумових трубок з’єднується з манометром (М) та насосом (Н). Насос через пасову передачу сполучено з електричним двигуном. Кран (К) дає змогу з’єднувати балон з атмосферою.
Надлишковий, порівняно з атмосферним, тиск повітря (Δр) в балоні (А) вимірюється манометром, сполученим з гумовою трубкою вхідним краном.
Опишемо експеримент і покажемо термодинамічні процеси на діаграмі стану газу в параметрах (pV) (рис. 2.4.2).
За допомогою насоса накачаємо в балон деяку кількість повітря. Під час накачування повітря виконується певна робота, що викликає підвищення температури повітря в балоні. Зупинивши накачування, чекаємо деякий час, щоб дати можливість повітрю в балоні охолодитися до температури навколишнього середовища T1. Тиск накачаного повітря при цьому дорівнюєр1, тобто є вищим за атмосферний тискр0(рис. 2.4.2). Будемо вважати цей стан першим: (р1,V1,T1).
Відкрутимо кран К, що сполучає балонАз атмосферою (рис. 2.4.1). Тиск газу починає зрівнюватися з атмосферним, а його температура спочатку дещо знизиться через швидке розширення, а потім знову почне наближатися до кімнатної.
Якщо теплопровідність стінок балона є малою (скло має низький коефіцієнт теплопровідності), а отвір крана Кдостатньо великим, вирівнювання тиску відбувається значно швидше, ніж вирівнювання температури, тобто: , (2.4.6)
де ,– відповідно час вирівнювання тиску та температури.
Нехай кран Кбув відкритий протягом такого проміжку часу, що:
. (2.4.7)
У цьому випадку теплообміном, що відбувається за час через стінки балона, можна знехтувати і процес розширення вважатиадіабатичним. Газ перейде до стану 2 з параметрами (р2,V2,T2).
З рівняння адіабатичного процесу (2.4.3) знайдемо:
. (2.4.8)
Відмітимо, що наприкінці адіабатичного розширення тиск дорівнює атмосферному тиску, а температураТ2виявляється дещо нижчою за кімнатну температуруТ1(температура газу знижується, оскільки робота розширення виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії газу).
Після того як краном Кзнову від’єднаємо балон від атмосфери, почнеться повільне ізохоричне нагрівання газу зі швидкістю, що визначається теплопровідністю скляних стінок. Разом із підвищенням температури зростає і тиск газу. За чассистема досягає рівноваги, і температура Т3, що встановлюється, стає однаковою з кімнатною температуроюТ1. Газ перейде до стану 3 з параметрами (р3,V2,T1).
Процес вирівнювання температури за закритого крану підлягає закону Гей-Люссака:
. (2.4.9)
Вилучаючи за допомогою формули (2.4.9) відношення температур Т1/Т2з рівняння (2.4.8), знайдемо:
. (2.4.10).
Розв’яжемо це рівняння (2.4.10) відносно γ:
. (2.4.11)
У нашого випадку значення тиску р1тар3мало відрізняються відр0,тож формулу (2.4.11) можна суттєво спростити. Введемо позначення:
, . (2.4.12)
Враховуючи (2.4.12) та розкладаючи логарифмічну функцію (2.4.11) в ряд Тейлора і нехтуючи членами другого порядку малості, отримаємо:
або . (2.4.13)
Як видно з формули (2.4.13), для визначення відношення молярних теплоємностей треба знати надлишковий (над атмосферним) тиск в балоні до адіабатичного розширення газу та його надлишковий тиск після ізохоричного нагрівання.
Варто наголосити, що обидві величини слід вимірювати в стані термодинамічної рівноваги, тобто після закінчення теплообміну.