Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_____________________________________________________

Т. А. Аронова, С. А. Минабудинова, Ю. М. Сосновский

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА, ТЕРМОДИНАМИКА и

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве

методических указаний к выполнению лабораторных работ по физике

Омск 2008

УДК 536.1: 538.9: 533.7 (076.5)

ББК 22.37я73

А84

Молекулярная физика, термодинамика и физика твердого тела: Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике / Т. А. Аронова, С. А. Минабудинова, Ю. М. Сосновский; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 40 c.

Методические указания содержат шесть лабораторных работ по молекулярной физике, термодинамике и физике твердого тела, в которых кратко изложен теоретический материал по изучаемым темам, приведены описание лабораторных установок, порядок выполнения практических заданий и конт-рольные вопросы.

Указания предназначены для студентов второго курса всех специальностей очной формы обучения.

Библиогр.: 8 назв. Табл. 12. Рис. 14.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор О. А. Сидоров;

канд. техн. наук, доцент В. П. Шабалин.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Определение отношения теплоемкости 6

при постоянном давлении С_p к теплоемкости 6

при постоянном объеме С_V 6

Определение коэффициента вязкости жидкости 12

с помощью вискозиметра Пуазейля 12

Определение средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха 18

температурная зависимость сопротивления полупроводников и металлов 24

зависимость сопротивления полупроводника от освещенности 31

полупроводниковый диод 35

Библиографический список 42

Введение

Выполнение лабораторных работ по физике помогает студентам лучше понять суть изучаемых физических явлений и процессов и ознакомиться на практике с некоторыми приборами и методикой физических измерений.

При подготовке к лабораторным занятиям необходимо заранее повторить соответствующий теоретический материал по учебнику и конспекту лекций, по методическим указаниям к лабораторной работе ознакомиться с порядком ее проведения. При этом в рабочей тетради необходимо записать название и цель лабораторной работы, перечень используемых приборов и принадлежностей, рабочую формулу (формулы) с расшифровкой входящих в нее величин; начертить схему лабораторной установки и подготовить таблицы для записи результатов измерений.

Допущенный к лабораторной работе студент изучает принцип действия приборов, собирает схему лабораторной установки и после проверки ее преподавателем приступает к выполнению практического задания. Полученные результаты студент записывает в таблицы, которые проверяются и визируются преподавателем.

По результатам измерений в рабочую тетрадь записывают:

расчеты искомых величин и их погрешности (в случае необходимости результаты измерений представляются в виде графиков);

вывод (краткий анализ полученных результатов, сравнение их с табличными значениями и т. п.).

Лабораторная работа 1

Определение отношения теплоемкости при постоянном давлении Сp к теплоемкости при постоянном объеме сv

Цель работы: ознакомиться с методом Клемана-Дезорма – методом определения отношения теплоемкости при постоянном давлении С_p к теплоемкости при постоянном объеме С_V; определить значение показателя адиабаты для воздуха.

Приборы и принадлежности: закрытый стеклянный сосуд, манометр, насос.

1.1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 1.1) состоит из стеклянного сосуда 1, соединенного с водяным манометром 2 и ручным насосом 3 (резиновой «грушей»).

Стеклянный сосуд с помощью трехходового крана 4 может соединяться с ручным насосом (резиновой «грушей») и манометром (положение 1) либо с манометром и атмосферой (положение 2), либо с ручным насосом и атмосферой (нерабочее положение).

Рис. 1.1. Схема лабораторной установки

1.2. Краткие теоретические сведения

Адиабата – линия на термодинамической диаграмме состояний, изображающая равновесный адиабатический (адиабатный, изоэнтропический) процесс, т. е. процесс, при котором термодинамическая система не обменивается теплом с окружающей средой .

Для идеальных газов уравнение адиабаты (уравнение Пуассона) имеет простейший вид:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

где p, V, T  давление, объем и температура газа;

 показатель адиабаты, равный отношению теплоемкостей газа и , определенных при постоянном давлении и постоянном объеме,

, (1.4)

где i  число степеней свободы газа.

Показатель адиабаты существенно влияет на быстропротекающие процессы сжатия и расширения газов. От значения зависят, например, скорость распространения звука в газах, течение газов по трубам со звуковой скоростью, достижение сверхзвуковой скорости течения газов в расширяющихся трубах, процессы сжижения газов и т. п.

Для определения показателя адиабаты Клеман и Дезорм предложили в 1819 г. простой метод, основанный на адиабатическом сжатии и расшире- нии газа.

В лабораторной установке газ (воздух) первоначально находится в большом стеклянном сосуде (см. рис. 1.1), который соединен с водяным манометром и ручным насосом (резиновой «грушей»). Давление воздуха в сосуде равно атмосферному давлению, а температура T₀  температуре окружающей среды. Если с помощью насоса накачать в сосуд небольшое количество воздуха, то давление в сосуде повысится, но уровень жидкости (воды) в манометре не сразу займет фиксированное положение, так как при нагнетании воздуха в сосуд происходит повышение температуры воздуха до Т₁. Когда температура воздуха внутри сосуда благодаря теплопроводности стенок сравняется с температурой окружающего воздуха , в манометре установится разность уровней воды h₁. При этом давление газа внутри сосуда , соответствующее показанию манометра h₁, можно определить по уравнению:

, (1.5)

где и  плотность воды в манометре и ускорение свободного падения.

Если в лабораторной установке быстро открыть кран, то воздух из сосуда будет адиабатически расширяться до тех пор, пока его давление не сравняется с атмосферным (p₂ = p₀); при этом произойдет и охлаждение газа до температуры  .

Процесс адиабатического расширения может быть описан уравнением Пуассона (1.3):

(1.6)

где T₁ = T₀.

Если сразу по достижении давления вновь закрыть кран, то давление внутри сосуда начнет повышаться за счет повышения температуры газа до Т₃ (благодаря теплопроводности стенок сосуда). Увеличение давления прекратится, когда температура воздуха в сосуде сравняется с температурой окружающей среды . При этом давление газа в сосуде, соответствующее показанию манометра , можно вычислить по уравнению:

(1.7)

Так как рассмотренный процесс является изохорическим, то для него справедливо соотношение:

, (1.8)

где T₃ = T₀.

Сравнивая равенства (1.6) и (1.8) и учитывая формулы (1.5) и (1.7), имеем:

. (1.9)

Решив уравнение (1.9) относительно , получаем:

(1.10)