6. Опытная проверка закона Бойля — Мариотта
Цель работы: проверить на опыте закон Бойля — Мариотта.
Оборудование: прозрачная трубка с пробкой1), гибкий шланг длиной около 1,5 м, прозрачная воронка, сантиметровая лента, линейка, штатив с двумя лапками, барометр-анероид (один на класс).
Подготовка к работе
Содержание работы
На рисунке 1, а изображена опытная установка. Верхние концы U-образной трубки укреплены в лапках двух стоящих рядом штативов (они не показаны на рисунке).
При открытой трубке в воронку наливают воду так, чтобы в трубке остался столб воздуха высотой 10—12 см. Трубку плотно закрывают пробкой, после чего воронку поднимают на некоторую высоту. При этом высота столба воздуха в левой трубке уменьшается (рис. 1, б).
Обозначим l1 начальную высоту столба воздуха в трубке, l2 — конечную высоту столба воздуха, h — разность уровней воды в закрытой трубке и в воронке.
Температуру воздуха в закрытой трубке можно считать постоянной вследствие теплообмена с окружающим воздухом. Поэтому для газа, находящегося в закрытой трубке, справедлив закон Бойля — Мариотта, согласно которому
p1V1 = p2V2.
Рис. 1
Здесь индексами 1 и 2 обозначены давление и объём воздуха в трубке в начальном и конечном состояниях.
1) В качестве трубки и воронки можно использовать одноразовые шприцы на 50 мл.
Объём воздуха в цилиндрической трубке пропорционален высоте столба воздуха, поэтому приведенное выше соотношение можно переписать в виде
p1l1 = p2l2.
В начальном положении давление в трубке равно атмосферному: р1 = ра. В конечном положении давление воздуха в закрытой трубке p2 = pа + ρgh, где ρ — плотность воды. Следовательно, должно выполняться соотношение
pal1 = (pа + ρgh)l2.
Ход работы
• Определите по барометру-анероиду1) атмосферное давление рa. Результат (в паскалях) запишите в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
|
рa, Па |
l1, м |
l2, м |
h, м |
pa + ρgh, Па |
• Трубку и воронку осторожно закрепите в двух лапках штатива, расположив их как можно ниже2).
• Проведите все необходимые измерения (при измерении h и l2 укрепите правый конец шланга с воронкой на максимально возможной высоте). Результаты запишите в таблицу.
• Проведите все необходимые расчёты и запишите результаты в таблицу.
• Определите, согласуются ли результаты вашего опыта с законом Бойля — Мариотта (с учётом погрешностей измерений).
7. Опытная проверка закона Гей-Люссака
Цель работы: проверить на опыте закон Гей-Люссака.
Оборудование: прозрачная трубка с одним открытым концом3), пробка, термометр, линейка, стаканы с горячей и холодной водой4).
Подготовка к работе
1) Если в классе нет барометра-анероида, можно принять, что значение атмосферного давления равно нормальному атмосферному давлению (105 Па).
2) Для этого штатив удобно расположить на краю стола.
3) Можно использовать пробирку или одноразовый шприц на 20 мл с плотно закрытым (например, пластилином, клеем или воском) отверстием для иглы.
4) В качестве холодной можно взять водопроводную воду, а в качестве горячей — воду с температурой примерно 60 °С (более горячая вода может вызвать ожоги).
Содержание работы
Обозначим Т1 и Т2 значения абсолютной температуры в стаканах с горячей и холодной водой соответственно.
Прозрачную трубку опускают почти полностью открытым концом вверх в стакан с горячей водой и ждут 2—3 мин, пока воздух внутри трубки нагреется до температуры T1 (рис. 2). Затем трубку быстро вынимают и опускают вертикально открытым концом вниз в стакан с холодной водой так, чтобы вся трубка погрузилась в воду (рис. 3).
Рис. 2
Рис. 3
Изменением давления воздуха в трубке в данном случае можно пренебречь, поэтому для воздуха в трубке справедлив закон Гей-Люссака, согласно которому
Здесь индексами 1 и 2 обозначены абсолютная температура и объём воздуха в трубке соответственно в начальном и конечном положениях.
Объём воздуха в цилиндрической трубке пропорционален высоте столба воздуха, поэтому приведённое выше соотношение можно записать в виде
Ход работы
• Выполните все необходимые измерения и вычисления. Запишите результаты в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
• Определите, согласуются ли результаты вашего опыта с законом Гей-Люссака (с учётом погрешностей измерений).
8. Исследование скорости остывания воды1)
Цель работы: проверить справедливость гипотезы: «Температура воды при остывании линейно зависит от времени».
Оборудование: термометр, сосуд с горячей водой2), часы.
Подготовка к работе
Изучите описание работы.
Содержание работы
При выполнении работы производят измерения температуры воды в сосуде через небольшие промежутки времени и, используя эти данные, строят график зависимости температуры от времени.
Если экспериментальные точки (с учётом погрешностей измерений) будут лежать на одной прямой, то это будет означать, что указанная гипотеза подтверждается.
Если же экспериментальные точки не будут лежать на одной прямой, то это будет означать, что опыт опровергает гипотезу.
Ход работы
• В течение 30 мин измеряйте температуру воды в стакане с интервалом 5 мин. Результаты измерений записывайте в таблицу, первые строки которой приведены ниже.
|
Время после начала опыта, мин |
t, °С |
|
0 |
|
|
5 |
• Начертите в тетради координатную плоскость для графика зависимости температуры от времени и нанесите на неё полученные вами экспериментальные значения.
• Определите: лежат ли экспериментальные точки на одной прямой (с учётом погрешностей измерений)?
• Запишите вывод: подтверждается ли справедливость сформулированной выше гипотезы?
1) Во время выполнения данной лабораторной работы можно, например, обучать школьников решению задач, чтобы использовать время, требуемое для остывания воды. Удобно поставить таймер, чтобы напоминать ученикам об очередном измерении температуры воды.
2) Температура воды не должна превышать 60 °С.
*9. Измерение модуля Юнга
Цель работы: измерить на опыте модуль Юнга для резины.
Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, резиновый шнур1) длиной 10 см, груз из набора по механике, линейка, штангенциркуль2), динамометр.
Подготовка к работе
Содержание работы
Если удлинение резинового шнура в несколько раз меньше его длины, то для резинового шнура справедлив закон Гука, то есть модуль силы упругости F прямо пропорционален его удлинению Δl:
F = kΔl, где k — жёсткость шпура.
Жёсткость k прямо пропорциональна площади S поперечного сечения шпура и обратно пропорциональна его длине l. Поэтому
Здесь Е — модуль Юнга для резины. Из последнего уравнения следует, что
Ход работы
• Руководствуясь описанием работы и используя предложенное оборудование, измерьте все величины, необходимые для определения модуля Юнга резины. Для растяжения резинового шпура используйте груз известной массы. Результаты измерений запишите в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
|
l, м |
Δl, м |
F, H |
S, м2 |
E, Н/м2 |
• По результатам измерений вычислите и запишите модуль Юнга резины.
1) Можно использовать резиновую полоску.
2) Если в классе нет штангенциркуля или микрометра, то диаметр резинового шнура и толщину резиновой полоски можно измерить методом рядов.
*10. Измерение удельной теплоты плавления льда
Цель работы: измерить удельную теплоту плавления льда и сравнить полученное значение с табличным.
Оборудование: калориметр, термометр, стакан с водой комнатной температуры, измерительный цилиндр, кубики льда1), плавающие в сосуде с водой2).
Подготовка к работе
Содержание работы
Если опустить в калориметр с водой кусок льда при температуре 0 °С, вода начнёт остывать, а лёд — таять. Образовавшаяся изо льда вода будет нагреваться, охлаждая при этом налитую в калориметр воду.
Обозначим начальную температуру воды в калориметре tн, а конечную температуру воды (в момент, когда весь лёд растает) обозначим tк. Если можно пренебречь тепловыми потерями, уравнение теплового баланса имеет вид
mлλ + mлсвtк = mнcв(tн - tк).
Здесь λ — удельная теплота плавления льда, mл — масса льда, mн — начальная масса воды в калориметре.
Из этого соотношения получаем:
Масса льда mл = mк - mн, где mк — конечная масса воды в калориметре. Поэтому из предыдущего уравнения следует, что
Таким образом, для измерения теплоты плавления льда надо измерить начальную и конечную массу воды в калориметре (mн и mк), а также начальную и конечную температуру воды (tн и tк).
Ход работы
Задание 1. Измерение удельной теплоты плавления льда
• Руководствуясь описанием работы, измерьте физические величины, необходимые для определения удельной теплоты плавления льда. Начальную массу воды в калориметре возьмите равной 100 г. Конечную массу воды в калориметре можно определить с помощью измерительного цилиндра. Результаты измерений запишите в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
1) Общий объём льда для одного опыта должен быть около 20 см3.
2) Кубики льда надо положить в воду заранее, чтобы лёд нагрелся до температуры плавления и начал таять.
|
mн, кг |
tн, °С |
mк, кг |
tк,·°С |
• По результатам измерений определите значение удельной теплоты плавления льда. Значение удельной теплоёмкости воды возьмите из справочных данных.
• Сравните полученное вами на опыте значение удельной теплоты плавления льда (с учётом погрешностей измерений) с его значением в справочных данных. Сделайте вывод и запишите его.
*Задание 2. Оценка тепловых потерь
• Оцепите количество теплоты, которое отдал своему содержимому внутренний стакан калориметра в процессе установления теплового равновесия1). Подумайте, какие величины надо измерить для требуемой оценки количества теплоты, и произведите эти измерения.
• Сравните количество теплоты, которое отдал своему содержимому внутренний стакан калориметра в процессе установления теплового равновесия, с количеством теплоты, полученной при охлаждении начальной массы воды в калориметре от начальной температуры до конечной.
• Запишите вывод: обоснованно ли предположение о том, что тепловыми потерями в данном опыте можно пренебречь?
11. Исследование вольтамперной характеристики лампы накаливания
Цель работы: проверить справедливость гипотезы: «Сила тока в лампе накаливания прямо пропорциональна напряжению на ней».
Оборудование: источник тока, ключ, лампа накаливания, амперметр2), вольтметр, реостат, соединительные провода.
Подготовка к работе
Содержание работы
Удельное сопротивление металлов значительно увеличивается при повышении температуры, поэтому зависимость напряжения от силы тока (вольтамперная характеристика) для металлического проводника может отличаться от прямой пропорциональности, если при увеличении силы тока проводник заметно нагревается. Именно так и происходит в случае лампы накаливания.
Для проверки справедливости сформулированной выше гипотезы надо провести несколько измерений, в каждом из которых изменяя силу тока в лампе так, чтобы при этом заметно изменялся накал нити лампы. Измеряя каждый раз силу тока и напряжение, наносят на координатную плоскость (U, I) экспериментальные точки с учётом погрешностей измерений.
Если экспериментальные точки (с учётом погрешностей измерений) будут лежать на одной прямой, проходящей через начало координат (I, U), то это будет означать, что опыт подтверждает сформулированную гипотезу.
Если же экспериментальные точки не будут лежать на одной прямой, проходящей через начало координат (I, U), то это будет означать, что опыт опровергает гипотезу.
Ход работы
Задание 1. Построение вольтамперпой характеристики нити лампы накаливания
• Соберите электрическую цепь для измерения силы тока в лампе и напряжения на лампе.
• Руководствуясь описанием работы и используя предложенное оборудование, измерьте значения силы тока и напряжения для пяти различных значений силы тока. Следите за тем, чтобы при каждом новом измерении накал нити лампы заметно отличался от его накала при предыдущем измерении. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
|
№ опыта |
І, А |
U, В |
R,Ом |
• Начертите оси координат для графика I(U), выберите удобный масштаб и нанесите на координатную плоскость (I, U) полученные вами на опыте значения силы тока и напряжения с учётом погрешностей.
• По экспериментальным точкам постройте примерный вид графика зависимости напряжения на лампе от силы тока в ней (вольтамперпую характеристику).
• Найдите значения сопротивления нити накала лампы при измеренных значениях силы тока и напряжения. Запишите результаты в таблицу. Сделайте вывод из сравнения найденных значений сопротивления и запишите его.
Задание 2. Проверка гипотезы: «Сила тока в лампе накаливания прямо пропорциональна напряжению на ней»
• По виду построенной вами вольтамперпой характеристики для нити лампы накаливания сделайте и запишите вывод: согласуются ли результаты опыта с данной гипотезой или опровергают её?
12. Мощность тока в проводниках при последовательном и параллельном соединении1)
Цель работы: сравнить значения мощности тока в двух проводниках при их последовательном и параллельном соединении.
Оборудование: источник тока2), амперметр, вольтметр, два резистора3), ключ, соединительные провода.
Подготовка к работе
Содержание работы
Чтобы сравнивать значения мощности тока в двух последовательно соединённых проводниках, используют формулу
Р = I2R,
а чтобы сравнивать значения мощности тока в двух параллельно соединённых проводниках, используют формулу
Ход работы
Задание 1. Сравнение значении мощности тока в проводниках при их последовательном соединении
• Соберите электрическую цепь (рис. 4).
• Руководствуясь описанием работы и используя предоставленное оборудование, измерьте величины, необходимые для нахождения мощности тока в двух последовательно соединённых резисторах. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
Рис. 4
1) Если при выполнении данной лабораторной работы измерительные приборы будут зашкаливать, необходимо последовательно с источником тока подключить реостат и отрегулировать его сопротивление.
2) Можно использовать батарейку с Е = 4,5 В.
3) Сопротивления резисторов должны отличаться не менее чем в 2 раза.
|
І, А |
R1, Ом |
Р1, Вт |
R2, Ом |
Р2, Вт |
R1/R2 |
P1/P2 |
• Вычислите значения мощности тока в резисторах и сравните отношение значений мощности и сопротивлений резисторов. Сделайте вывод и запишите его.
Задание 2. Сравнение значении мощности тока в проводниках при их параллельном соединении
• Соберите электрическую цепь (рис. 5).
Рис. 5
• Руководствуясь описанием работы и используя предоставленное оборудование, измерьте величины, необходимые для определения мощности тока в двух параллельно соединённых резисторах. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
|
U, B |
R1, Ом |
P1, Вт |
R2, Ом |
P2, Вт |
R1/R2 |
P1/P2 |
• Вычислите значения мощности тока в резисторах и сравните отношение значений мощности и сопротивлений резисторов. Сделайте вывод и запишите его.
13. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока
Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.
Оборудование: батарейка, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода.
Подготовка к работе
Содержание работы
Из закона Ома для полной цепи следует, что напряжение U на полюсах источника тока связано с ЭДС источника Е, силой тока в цепи I и внутренним сопротивлением источника r соотношением
U = E - Ir.
Отсюда следует, что график зависимости U(I) имеет вид, показанный на рисунке 6. Найдя точки пересечения графика с осями координат, можно определить значения E и r.
Рис. 6
Ход работы
• Соберите электрическую цепь (рис. 7).
Рис. 7
• Измерьте силу тока в цепи и напряжение на полюсах источника при четырёх положениях ползунка реостата. Результаты измерений запишите в таблицу, заголовок которой приведён ниже.
|
I,А |
U, В |
• Нанесите полученные на опыте точки с учётом погрешностей на координатную плоскость (I, U), выбрав удобный масштаб.
• Используя прозрачную линейку, проведите через отмеченные точки с учётом погрешностей прямую так, чтобы отклонения точек от этой прямой были наименьшими.
• По точкам пересечения проведённой прямой с осями координат определите значения E и r. Запишите полученные результаты.
• Сравните полученное вами значение ЭДС источника (с учётом погрешностей измерений) с показанием вольтметра при разомкнутых полюсах источника. Сделайте соответствующий вывод.