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 αn после нескольких соударений (n = 2 – 5). Записать в таблицу измерений угол αn отклонения шаров после последнего соударения и число соударений. Повторить опыт четыре раза и найти среднее значение αn.
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 Сp и Сv 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=hл-hn, где hл и hn - высота уровня воды в левой и правой трубках манометра, соответственно. hл и hn, 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=hл - hn.
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 СP или СV больше и почему?
4. Объясните уравнение Р.Майера.
5. Что называют числом степеней свободы? Как это число связано с СP, СV 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.