Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

(МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА)

Челябинск 2012

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

И СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЙ СКОРОСТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА МЕТОДОМ ОТКАЧКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: проверить на практике справедливость выводов молекулярно-кинетической теории, определить молярную газовую постоянную R и среднеквадратичную скорость молекул газа.

ОБОРУДОВАНИЕ: стеклянная колба, насос Комовского, манометр, весы с разновесами.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.

Молярную газовую постоянную можно определить из уравнения Менделеева-Клапейрона:

, (1)

где — давление,

— объем,

— масса газа,

— молекулярная масса газа (для воздуха ),

T— абсолютная температура газа.

Все параметры газа, входящие в уравнение (1), можно измерить непосредственно, за исключением массы газа, т. к. взвешивание газа возможно только с сосудом, в котором он заключен. Поэтому необходимо исключить массу сосуда. Это можно сделать, рассмотрев уравнение состояния двух масс и одного и того же газа при неизменной температуре Т и объеме : . (2)

ИЗМЕРЕНИЯ

Схема установки приведена на рис. 1:

Рис.1

1 — стеклянная колба,

2 — зажим на шланге,

3 — манометр,

4 — насос.

Упражнение 1.

Проверьте, уравновешены ли ненагруженные весы, стоят ли они по уровню. При необходимости произведите регулировку и того и другого.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Подсоедините колбу к системе и откачайте из нее воздух. По манометру зафиксируйте разность давлений между давлением воздуха в колбе и атмосферным. Пережмите зажимом 2 шланг, отсоедините колбу от системы и подвесьте ее на коромысло весов (или поставьте на чашу весов). Тщательно уравновесьте весы и определите значение массы . Впустите воздух в колбу и вновь тщательно взвесьте ее, тем самым определите вес колбы с воздухом . В данном упражнении откачивайте воздух из колбы от -0,1 до -0,7 атм. Найдите и по формуле (2) рассчитайте R. Значение объёма сосуда дано на установке. Данные измерений оформите в таблицу. Рассчитайте погрешность измерения R.

Упражнение 2.

Средняя квадратичная скорость молекул данного газа зависит только от его температуры. Поэтому, если из сосуда откачать, или наоборот, накачать некоторое количество газа и дать возможность газу приобрести прежнюю температуру, то это не повлияет на среднюю квадратичную скорость движения молекул.

Напишем основное уравнение кинетической энергии для двух масс и одного и того же газа, находящихся при разных давлениях и , но имеющих одинаковые объемы и одну и ту же температуру:

(3)

(4)

где - среднеквадратичная скорость молекул газа.

Отсюда

(5)

По данным упражнения 1 произведите расчет по формуле (5) среднеквадратичной скорости молекул газа. Полученные данные занесите в таблицу, форму которой разработайте сами. Рассчитайте погрешность определения среднеквадратичной скорости молекул. Результаты, полученные по формуле (5), сравните со значением среднеквадратичной скорости, вычисленной по формуле:

. (6)

Упражнение 3

Используя данные упражнения 1, определите плотность воздуха в колбе (до откачивания и после откачивания).

Какое давление соответствует данной плотности воздуха?

Данные расчетов оформите в таблицу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Какой газ называется идеальным?

2.  Каков физический смысл универсальной газовой постоянной?

3.  Какую скорость молекул называют среднеквадратичной?

4.  Температура воздуха в средних слоях атмосферы, связанная с кинетикой движения его молекул, порядка 1000К. Вместе с тем наверху очень холодно. Чем может быть оправдан этот парадокс?

5.  Выведите газовые законы из основного уравнения молекулярно-кинетической теории.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Сивухин курс физики, т.2.— М.: Наука, 1979, §§ 1, 4, 7, 58 — 60.

2.  , Кикоин физика.— М.: Наука, 1976, §§ 1 — 6.

3.  Телеснин физика.— М.: Высшая школа, 1973, §§ 1 — 10.

4.  Сущинский физики, т. 1.— М.: Наука, 1973, §§ 68 — 70, 72, 73.

5.  Савельев курс физики, т.1.— М.: Наука, 1977, § 86.