МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ (МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА) (стр. 6 из 12)
где α - коэффициент линейного расширения, характеризующий относительное удлинение ∆l/l, происходящее при нагревании тела на 1 К.
Длина тела при температуре t
отсюда
Тепловое расширение большинства твердых тел весьма незначительно. Поэтому длина l0 при 0 °С очень мало отличается от длины l при другой температуре t, например комнатной. Поэтому в выражении коэффициента линейного расширения (41) l0 можно заменить на l1, а l - на длину l2 при температуре t2, значительно большей, чем t1:
Причина расширения твердых тел при нагревании - возрастание амплитуды тепловых колебаний атомов. График зависимости потенциальной энергии взаимодействия соседних атомов от расстояния между их центрами r приведен на рис. 9. Пунктиром показан уровень полной энергии E взаимного колебания атомов при данной температуре. При данной энергии Е расстояние между атомами при тепловых колебаниях изменяется от r1 до r2. Если r0<r<r1 (атомы сближаются), между атомами действуют силы отталкивания. Когда r=r0, полная энергия равна кинетической энергии теплового колебательного движения. При уменьшении r до r1 происходит переход кинетической энергии в потенциальную энергию взаимодействия атомов. Далее под действием сил отталкивания атом движется в сторону увеличения r . Его кинетическая энергия возрастает, а потенциальная - уменьшается. Когда r становится больше r0, возникают силы притяжения между атомами, кинетическая энергия атома уменьшается, а потенциальная увеличивается. В точке r=r2, полная Е энергия переходит в потенциальную. Далее под действием сил притяжения атомы начинают сближаться И весь процесс колебаний атома между точками r1 и r2 повторяется.
Как видно из рис.9, вследствие несимметричности кривой и(r) среднее расстояние между соседними атомами при данной температуре
больше, чем r0, и возрастает с ростом температуры, так как увеличивается полная энергия атома.
Описание лабораторной установки и метода измерений.
Схема лабораторной установки приведена на рис. 10.
Нихромовая проволока 1 закреплена между клеммами 2, 3, причем клемма 3 соединена с растягивающей пружиной 4. По проволоке течет постоянный ток. Сила тока I измеряется амперметром A, а напряжение U вольтметром V . По закону Джоуля - Ленца в проводнике, по которому течет ток, выделяется тепло
зависящее от времени его прохождения t, сопротивления проводника R и силы тока I. Проводник нагревается, сопротивление металла увеличивается с ростом температуры по закону
где R1 - сопротивление проводника при комнатной температуре t1°С;
R2 - его сопротивление при нагревании до температуры t2°С;
β - температурный коэффициент сопротивления нихромовой проволоки,
Из соотношения (43) можно определить разность температур
зная сопротивления R1 и R2.
Сопротивление R1, определяется по формуле
где ρ - удельное сопротивление нихрома при t1 = 20 °С;
;l1 - длина проволоки при комнатной температуре, м, l1 = 0,34; d - ее диаметр, мм, d = 0,4.
Сопротивление проволоки R2 при температуре t2 определяется по закону Ома для участка цепи
Удлинение проволоки
при нагревании измеряется по шкале 5.Порядок выполнения работы
1I. Собрать схему рис. 9. Включить источник питания. Подождать 2-3 мин, пока проволока не нагреется до максимальной температуры и не наступит тепловое равновесие. Измерить силу тока, напряжение и удлинение проволоки ∆l. Опыт повторить три раза, определить средние значения I и U.
2. Измерить температуру воздуха t1 °С в лаборатории.
3. По формуле (45) вычислить сопротивление проволоки R1 при температуре t1 0C.
4. Для средних значений I и U определить сопротивление проволоки R2 при температуре t2 0С, используя закон Ома (46).
5. Используя соотношение (44), вычислить разность температур t2 - t1. Найти температуру нагретой проволоки t2.
6. По формуле (42) определить коэффициент линейного расширения α для нихромовой проволоки.
7. Определить погрешности измерения R2, t2, α.
8. Сравните результаты измерения α с табличным значениям.
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется коэффициентом линейного расширения твердых тел?
2. Объясните причину теплового расширения твердых тел.
3. Как определяется в работе удлинение проволоки?
4. Как определяется сопротивление проволоки R1 при комнатной температуре t1, и сопротивление нагретой проволоки?
5. Почему при прохождении тока по металлическому проводнику он нагревается?
6. Как изменяется сопротивление проводника при изменении температуры?
7. Как определяется в работе температура нагретой проволоки?
8. Как изменяется длина твердого тела при нагревании?
9. Как можно определить количество теплоты, выделившееся в проводнике при прохождении тока?
ЧАСТЬ П
I. ИЗУЧЕНИЕ РАВНОУСКОРЕННОГО ДВИЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ НА ПРИБОРЕ АТВУДА
Цель работы
Изучить равноускоренное движение и определить ускорение свободного падения на приборе Атвуда.
Приборы и принадлежности
Прибор Атвуда, дополнительные сменные грузики.
Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рис. 11) собрана на платформе 1 с вертикальной колонной 2 и представляет собой систему грузов 3, соединенных между собой нитью, переброшенной через блок 4. Масса каждого груза равна М = 60 г. Блок 4 для уменьшения сил трения в опоре смонтирован в подшипнике 5, а электромагнитная фрикционная муфта 6 обеспечивает начальную фиксацию грузов и их торможение в конце перемещения. Блок с фрикционной муфтой закреплен на верхнем конце колонны 2, а между блоком и основанием 1 имеются три подвижных кронштейна 7, 8 и 9, расстояние между которыми определяется с помощью миллиметровой шкалы 10, расположенной на колонне 2.
Верхний кронштейн 7, оснащенный риской, служит для фиксации начального положения системы грузов. Средний кронштейн 8 обеспечивает съем дополнительного грузика 11, а фотоэлектрический датчик 12 на этом кронштейне включает электронный секундомер в момент съема дополнительного грузика. На нижнем кронштейне 9 есть еще един фотоэлектрический датчик 13, выключающий секундомер и включающий электромагнитную муфту 6 для торможения подвижной системы.
В отсутствие дополнительного грузика 11 вся подвижная система находится в состоянии равновесия и либо покоится, либо двигается равномерно. Неравномерность движения в этом случае может быть обусловлена только сопротивлением воздуха, наличием трения в опоре, моментом инерции блока и весом нити. Дополнительный грузик 11, помещенный на один из основных грузов, выводит систему из состояния равновесия, и при обесточенной фрикционной муфте 5 система начинает двигаться. Это движение в первом приближении является равноускоренным.
Таким образом, в рабочем состоянии прибора перемещение системы грузов на участке между верхним 7 и средним 8 кронштейнами будет равноускоренным, а на участке между средним 8 и нижним 9 кронштейнами - равномерным. Секундомер прибора 14 фиксирует время перемещения рабочего (первого) груза между средним и нижним кронштейнами, т.е. на участке равномерного движения длиной S (рис. 12).
Работа с прибором
I. При отключенном питании прибора проверить свободу перемещения системы грузов и переместить рабочий правый груз в верхнее положение.
2. Включить клавишу "Сеть", проверить работу индикаторов и лампочек фотоэлектрических датчиков: индикатор электронного секундомера должен высвечивать “О” по всех разрядах, а лампочка светиться. При включенном питании должна сработать электромагнитная муфта и зафиксировать положение грузов.
3. Если на индикаторе отсутствует “О” во всех разрядах, то необходимо нажать клавишу "Сброс".