Практикум по физике (стр. 13 )

ОПЫТ 1.

ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ после быстрого сжатия газа с температурой окружающей среды.

1. При выполнении этой работы необходимо сначала проверить датчики давления. Для этого можно подсоединить шприц объёмом 2-3 мл с резиновым поршнем, сильно, до упора, сжать воздух, подержать 10-20 секунд в таком состоянии, затем посмотреть, вернется ли поршень в первоначальное положение (можно чуть "помогать" ему). Если поршень получил новое "устойчивое" положение - была утечка. (Давление при этом должно превышать 400 кПа.) Второй вариант - можно подсоединить к датчику шприц на 5-10 мл. с резиновым поршнем, включить регистрацию данных, создать давление 300- 400 кПа, убедиться, что оно не падает со временем в течение 15-20 секунд. Поршень шприца, конечно, надо удерживать неподвижно. Если есть утечка - работа не получится.

2. Подключите шприц на 2 - 10 мл к датчику давления.

Все соединения шлангов должны быть плотными, чтобы не допустить утечки сжатого газа.

3. Установите частоту 200 - 500 замеров в секунду, длительность - 4 - 5 секунд (на такой частоте график будет выведен на экран только после выполнения опыта!)

Запустите измерение, через 1 секунду очень резко нажмите на поршень шприца. Удерживайте поршень нажатым строго неподвижно около 4 секунд.

Добейтесь, чтобы на графике был явно виден небольшой "пик" давления.

4. Выберите "интересный" фрагмент графика, где видно, что давление после сжатия достигает пикового значения, а затем быстро снижается до некоторого постоянного уровня, что связано с установлением теплового равновесия с окружающей средой.

Выделите из графика "интересную" часть, сделайте хороший масштаб, подпишите и напечатайте график.

5 Оцените время установления теплового равновесия с окружающей средой. Укажите это время на вашем графике.

6 По полученным данным оцените максимальную температуру, до которой нагрелся воздух в шприце в ходе опыта. Измерить ее не получится, а вот рассчитать с помощью газовых законов легко. Нужные данные возьмите с графика. Подсказка - после того, как газ был сжат (почти адиабатически), с ним произошел изохорный процесс, конечная температура известна (комнатная).

7 Запишите выводы по этой части исследования, объясните, почему газ нагревается при сжатии.

ОПЫТ 2

ИЗУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Частота 10 измерений в секунду, количество измерений - непрерывно.

Будем ступенчато уменьшать объем шприца на 25 мл с целью получить значения давления для объёмов, например, 25, 20, 15, 10, 5 мл., а лучше - чаще (например, 25, 22, 19, 16, 13 мл. и т. д.) и обратно для тех же значений объёма.

Соединения должны быть плотными, чтобы не допустить утечки сжатого воздуха. Поршень держите ровно, без перекоса.

При каждом значении объёма надо задержать поршень в неподвижном состоянии на несколько секунд, чтобы установилось тепловое равновесие с окружающей средой. Пользуйтесь ранее полученными данными о времени выравнивания температуры.

Чтобы посмотреть, была ли хотя бы небольшая утечка, проведем опыт при сжатии газа, затем, не прекращая измерений, при расширении (для тех же значений объёма). Если график для расширения имеет меньшие значения давления, чем график для сжатия - значит, была утечка воздуха. ("Обратно" - можно (но нежелательно) "схалтурить", получить только давление при значении объёма 25 мл.)

После построения графика на экране считаем с него нужные данные (для этого вызовем курсор, перетащим его в нужную точку его стилусом, под графиком появится значение давления для данной точки). Составим в тетради таблицу зависимости давления (установившегося) от объёма, затем на бумаге (миллиметровке) аккуратно построим изотерму P(V), подпишем график, позаботимся о правильном масштабе.

НЕ ЗАБУДЬТЕ О НЕОБХОДИМОСТИ ПЕРЕСЧЁТА ДАВЛЕНИЙ, ЕСЛИ ВАШИ ДАТЧИКИ ТРЕБУБТ КАЛИБРОВКИ!

Возьмём начальный объём, при котором давление было атмосферным (оно известно - измерено как давление несжатого газа) и, используя закон Бойля-Мариотта, рассчитаем "теоретические" давления для всех значений объёма, для которых мы проводили измерения. Построим другим цветом получившийся "теоретический" график на этом же листе.

Запишем выводы по работе.

Возможно, графики не полностью совпали, постарайтесь объяснить, почему.

Типичные ошибки в этой работе:

- Установка не герметична. Неплотные соединения. При больших давлениях некоторые датчики травят. Датчик не усовершенствован – тогда он травит наверняка. Делайте указанные проверки.

- Имеется незаметная трещина в пластмассовом переходничке датчика давления.

- Использование старого шприца или шприца с пластиковым поршнем. Будет утечка.

- Перекашивание поршня во время опыта может привести к утечке.

- Попытки применять что-то без понимания того, что человек делает… незнание газовых законов…

- Попытки заставить компьютер построить график изотермы вместо честного построения его "вручную".

- При построении изотермы забыли учесть первую точку для атмосферного давления (когда газ ещё не начали сжимать)

- не сделали опыт (№2) для сжатия, затем расширения газа

- Сильный юноша заставил слабую девушку сжимать газ в шприце. Это тяжело!

, шк.179 МИОО, 10 апреля 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА

ОБОРУДОВАНИЕ

NOVA, батарейка 4,5 В, датчики напряжения и тока (250мА), два конденсатора электролитических (ёмкость порядка 470 мкФ), резистор (около 1,5 кОм), провода, ключ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

знание темы "Конденсаторы", "Электрический ток".

ЦЕЛИ РАБОТЫ

- построить график зависимости напряжения на конденсаторе от времени.

- понять, за какое время заряжается конденсатор от батарейки,

- сравнить время зарядки и разрядки конденсатора через тот же самый резистор,

- исследовать зависимость времени зарядки от ёмкости конденсатора - проверить, является ли график U(t) экспонентой U=U0e-t/(RC) и действительно ли показатель экспоненты - t/(RC),

- сравнить график ∫idt и график заряда, накопленного конденсатором q = U/C

ТЕОРИЯ

Выводится формула для напряжения на разряжающемся через сопротивление R конденсаторе U=U0e-t/(RC) (Из условия равенства напряжений на R и С получается дифференциальное уравнение для заряда, и оно просто решается, но для этого надо уметь брать интегралы. Вывод формулы можно попросить у учителя - он написан на отдельном листочке. Весьма полезно разобраться с этим выводом, а ещё лучше - вывести формулу самостоятельно. J)

Здесь U0- начальное напряжение на конденсаторе, t - время, прошедшее с момента начала разрядки.

Ход работы:

1. Познакомимся с теорией

2. Посмотрим, не разряжается ли конденсатор через датчик напряжения или сам по себе. Для этого зарядим его. НЕ ЗАБУДЬТЕ ПРАВИЛЬНО ПОДКЛЮЧИТЬ + и – КОНДЕНСАТОРА К БАТАРЕЙКЕ! Затем подсоединим конденсатор к датчику напряжения, например, на 100 секунд. Частота замеров может быть невысокой, (10 в секунду) главное - чтобы график выводился на экран во время опыта).

Запишем результаты. Разряжается ли конденсатор на заметную величину? Если да - при проведении дальнейших опытов время зарядки и разрядки должно быть существенно меньше времени, за которое конденсатор разряжается через датчик.

3. Соберём установку (см. схему ниже), в качестве амперметра и вольтметра подключим датчики тока и напряжения.

ВНИМАНИЕ : НЕ ЗАБУДЬТЕ ПРАВИЛЬНО ПОДКЛЮЧИТЬ + и – КОНДЕНСАТОРА!

Электролитический конденсатор может иметь большой ток утечки или выйти из строя при неправильной полярности подключения!

ВНИМАНИЕ: Типичная ошибка - неверно собрана схема.

4. Сделаем пробный опыт. Частота- 25 измерений в секунду, количество - непрерывно. Цель - получить график U(T), на котором хорошо виден процесс зарядки. Оценим время зарядки. (При рекомендуемых параметрах время зарядки составляет 2-5 секунд)

5. Теперь сделаем опыт "начисто". Установим частоту, например, 100 измерений в секунду, (при такой частоте график появится на экране только после завершения опыта). Будем заряжать конденсатор, например, 10 секунд, затем разряжать такое же время. (Время подбираем так, чтобы конденсатор успел полностью зарядиться и разрядиться, руководствуясь данными пробного опыта.)

4. По графику определим время зарядки и разрядки, считая конденсатор заряженным, когда напряжение достигнет 98% от установившегося значения. (Не "на глаз"! Используем курсор.)

Запишем результаты. Сравним время зарядки и разрядки. Подберём хороший масштаб, подпишем график. Распечатаем график U(t).

5. Увеличим вдвое ёмкость, соединив два конденсатора параллельно. Запишем время зарядки и разрядки. (По теории должно быть t2 = t1C2/ C1 )

Теория: Пусть конденсатор ёмкостью С1 разрядился от напряжения U0 до U, при этом прошло время t1. Тогда U=U0e-t1/(RC) Вывод этой формулы есть в книгах или у учителя на отдельном листе. (Понимание этого вывода требует хотя бы начального знания интегралов).

Аналогично для конденсатора С2, разряжающегося через то же самое сопротивление R, до того же напряжения U, получим U= U0e-t2/(RC2).

U0e-t1/(RC1) =U0e-t2/(RC2) или t1/C1 =t2/C2, или t2 = t1C2/ C1

Проверим, так ли это, запишем вывод.

6. За время 1/RC напряжение на конденсаторе должно падать в e раз (это легко видно из формулы) Посмотрите по графику, за какое время напряжение падает в

e = 2,718 281 828 459 045 235 360 287 471 352 662 497 757 :) раза, запишите результат.

Рассчитайте 1/RC, сравните с экспериментальными данными.

7. ДЛЯ ТЕХ, КОМУ ИНТЕРЕСНО, и кто не боится возможных "глюков" программы Multilab:

Возьмём данные для одного конденсатора и проверим, является ли зависимость U(t) экспонентой U=U0e-t/(RC)

Теория: Если прологарифмировать зависимость, получится: ln (U0e-t/(RC)) = lnU0 - t/(RC)