МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ (МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА) (стр. 3 из 12)

Описание лабораторной установки

На лабораторной установке (рис. 3) два стальных шара расположены на бифилярных подвесах, что обеспечивает их взаимодействие в одной плоскости. Шары удерживаются в отклоненном положении двумя электромагнитами (ЭМ), обмотки которых подключаются к источнику питания одним выключателем. Электромагниту могут перемещаться, их положение фиксируется винтами. Углы отклонения шаров от положения равновесия отсчитываются по шкалам Ш в градусах. При отключении питания электромагнитов шары начинают двигаться друг к другу под действием силы тяжести.

Порядок выполнения работы

1. Установить электромагниты так, чтобы шары были отклонены на одинаковый угол α₀. Включить питание электромагнитов и отклонить шары так, чтобы они удерживались электромагнитами при натянутой нити. Измерить длину нити l.

2. Выключателем отключить питание электромагнитов и определить угол отклонения α_n после нескольких соударений (n = 2 – 5). Записать в таблицу измерений угол α_n отклонения шаров после последнего соударения и число соударений. Повторить опыт четыре раза и найти среднее значение α_n.

3. Проделать операции, указанные в пп. 1, 2 пять раз для разных значений начальных углов отклонения α₀. Данные занести в таблицу.

4. Рассчитать по формуле (24) коэффициенты восстановления скорости К для всех заданных начальных углов отклонения. Найти среднее значение К и погрешности метода его измерения.

5. Для всех значений начального угла отклонения, при которых определялся К , посчитать энергию диссипации по формуле (25). Найти погрешности.

6. Рассчитать скорость V шара в момент удара при всех значениях начального угла α₀ по формуле (21).

7. По полученным данным, построить зависимость Еg (V).

Контрольные вопросы и задания

1. Что называется коэффициентом восстановления относительной скорости при ударе? Как он определяется в данной работе и от чего зависит?

2. Какие законы динамики выполняются при абсолютно упругом и неупругом ударах?

3. Что называется энергией диссипации?

4. Получите соотношение для определения энергии диссипации.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗА МЕТОДОМ КЛЕМАНА И ДЕЗОРМА

Цель работы

Определить экспериментально отношение молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме и сравнить с теоретическим значением данного отношения, найденным из молекулярно-кинетической теории.

Приборы и принадлежности

Баллон с краном, водяной манометр, компрессор.

Теоретическое введение и описание лабораторной установки

На лабораторной установке (рис. 4) баллон 1 соединен с открытым V-образным водяным манометром 2. Рычажной край 3 через впускной-выпускной штуцер 4 позволяет сообщаться баллону через резиновую трубку 6 с нагнетающим насосом 5 или с атмосферой. В сосуд накачивают воздух до максимально допустимого давления. Через 2-3 мин температура воздуха в сосуде становится равной температуре окружающей среды. Обозначим для первого данного состояния газа его удельный объем V₁, давление P₁, температуру Т₁.

Далее, отсоединив трубку 6 от штуцера 4, быстро нажмем и отпустим рычаг клапана, на мгновение, соединив баллон с окружающим воздухом. Практически сразу давление воздуха в баллоне станет равным атмосферному. Процесс происходит быстро и его можно считать адиабатическим. Новый удельный объем воздуха - V₂, давление - P₂=P₀ (атмосферное) и температура - Т₂. Через 2-3 мин воздух в баллоне нагреется до комнатной температуры T₃ = Т₁, его давление будет P₃, а удельный объем V₃=V₂ (ни масса, ни объем газа не меняются).

Переход из первого, состояния во второе (адиабатический процесс) описывается уравнением Пуассона

где

Сравнивая конечное, третье состояние газа с первым, видим, что температура газа в этих состояниях одинакова, следовательно, к этому переходу применим закон Бойля-Мариотта

P₁V₁=P₂V₂, (27)

Решая систему двух уравнений ((26), (27)), можно определить γ. Для этого возведем второе уравнение в степень γ разделим его на первое уравнение:

Так как V2=V3, то

или

Логарифмируя последнее выражение, получим

Обозначим разность уровней жидкости в манометре в первом состоянии h₁, а в третьем состоянии - h₃. Тогда

P₁=P₀+h₁, P₃=P₀+h₃, (P₂=P₀)

Подставим значения Р₁, Р₂, Р₃ в соотношение (28):

В данном случае h₁ и h₃ намного меньше Р₀, поэтому отношение разности логарифмов можно заменить отношением разности чисел, т.е.

Это дает расчетную формулу для нашего опыта

В молекулярно-кинетической теории молярные теплоемкости газа С_p и С_v определяются через число степеней свобода молекулы i и универсальную газовую постоянную R :

Найдем их отношение

В данном случае воздух не очищается от влаги и содержит большое количество паров воды, поэтому число степеней свободы будет соответствовать трехатомным молекулам, т.е. i = 6.

Порядок выполнения работы

1. Вставить резиновую трубку 6 насоса в штуцер 4. Включить насос. Нажать и удерживать в нажатом положений рычаг клапана 3. Наблюдая по шкале манометра 2 за увеличением давления в баллоне 1, довести давление до показания уровня воды в левой трубке манометра примерно 20 см. Отпустить рычаг клапана.

2. Подождать 2-3 мин, пока температура в баллоне не уравняется с температурой окружающего воздуха. Определить давление газа в баллоне по формуле h₁=h_л-h_n, где h_л и h_n - высота уровня воды в левой и правой трубках манометра, соответственно. h_л и h_n, мм, определяются по шкале манометра.

3. Отсоединить трубку насоса 6 от штуцера 4. Быстро нажать и отпустить рычаг клапана 3 - уравнять давление воздуха в баллоне с давлением окружающего воздуха. Когда температура в баллоне уравняется с внешней температурой (примерно через 2-3 мин), определить давление паров воздуха в баллоне по формуле h₃=h_л - h_n.

4. Повторить измерения h₁ и h₃ пять раз, руководствуясь пп. 1-3. Вычислить средние значения давлений h₁ и h₃.

5. По формуле (29) определить отношение молярных теплоемкостей для средних значений давлений h₁ и h₃.

6. Определить теоретическое значение γ - по формуле (30).

7. Найти абсолютную и относительную погрешность метода измерений.

Контрольные вопросы и задания

1. Запишите и объясните первое начало термодинамики для изохорного, изобарного, изотермического и адиабатического процессов.

2. Что называют удельной и молярной теплоемкостью?

3. Какая из теплоемкостей С_P или С_V больше и почему?

4. Объясните уравнение Р.Майера.

5. Что называют числом степеней свободы? Как это число связано с С_P, С_V и γ?

6. Как и почему в опыте меняется температура газа в баллоне?

7. Запишите и объясните уравнения изотермы и адиабаты.

8. Нарисуйте на РV-диаграмме последовательно все процессы, происходящие с газом.

9. Получите рабочую формулу для определения отношения молярных теплоемкостей γ.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНТРОПИИ

Цель работы

Опытным путем установить зависимость изменения энтропии от теплоемкости тел при выравнивании температур тел в изолированной адиабатической термодинамической системе.

Приборы и принадлежности Калориметр, термометр, водомерный стакан, нагреватель, набор из шести: испытуемых тел: четыре железных с массами 50, 100, 150, 200 г, латунное и алюминиевое с массами 50 г каждое.

Теоретическое введение

Так же как и внутренняя энергия, энтропия является функцией состояния термодинамической системы. Если термодинамическая система получает в обратимом процессе количество теплоты δQ при температуре Т, то отношение δQ /T определяет изменение энтропии dS системы, т.е.

и. для обратимого процесса является полным дифференциалом. На практике обычно интересуются только изменением энтропии, а не ее абсолютным значением.