Лабораторный практикум к спецкурсу «Методы исследования свойств твердых тел» Методические указания (стр. 3 )

  Количество тепла, переданное образцом  за малый отрезок вре­мени dt в окружающую среду

    (2.1)

где - коэффициент, зависящий от состояния поверхности образ­ца;

- температура поверхности; – температура среды; 

S - площадь боковой поверхности цилиндра.

С другой стороны,  это количество тепла равно 

    (2.2)

где c - удельная теплоемкость; m - масса образца; dТ - изме­нение его температуры за время t.

  Приравнивая (2.1) и (2.2), получаем

  mc = б  (2.3)

Здесь - скорость охлаждения, показывающая, как быстро меняется температура остывающего образца со временем, т. е. изменяется его температура за единицу времени.

  Запишем равенство (2.3) для эталонного и исследуемого об­разцов:

  ;

         

  .  (2.4)

Из (2.4) для искомой теплоемкости получим

  .  (2.5)

  Если  размеры и условия охлаждения образцов одинаковы,, бx=б0 и  то формула (2.5) упро­стится и для искомой получим

    .  (2.6)

  Целью работы является получение температурной зависимости удельной теплоемкости металла.

Описание установки

На рис.2.2 представлена схема прибора, с помощью которого снимаются кривые охлаждения образцов.

 

  рис.2.2

  Цилиндрическая печь 1 укреплена в вертикальном положении. Для измерения температуры использу­ется термопaра, помещенная в двухканальную фарфоровую трубку 2, на которую насаживают образец. Термопара присоединяется к мил­ливольтметру, измеряющему воз­никшую в ней термоЭДС. Милли­вольтметр проградуирован в гра­дусах (цена одного деления -5 град) и показывает разность температур рабочего спая 3 и комнатной. Для получения истинно­го значения температуры к темпера­туре, отсчитанной по милливольт­метру, необходимо прибавить комнатную. Образцы представляют со­бой полые цилиндры. Эталонный образец изготовлен из меди, тем­пературная зависимость удельной теплоемкости меди представлена на рис.2.3.

  Поверхность образцов покрыта тонким слоем хрома для предо­хранения от окисления и создания одинаковых условий теплоотдачи (при этом бx=б0). Масса образцов mx и m0 определяется взвешиванием.

Выполнение работы

Взвешивают исследуемый и эталонный образцы. Помещают  исследуемый обра­зец в печь, за­крепив стопорным винтом 4.

  рис.2.3

Печь включают в сеть (220 В). Нагрев обра­зец до температуры порядка 600 °С, выключают печь, опускают об­разец с термопарой и закрепляют в новом положении. Снимают кривую охлаждения образца, записывая показания милливольтметра через каждые 10-20 с по секундомеру.

  Повторяют те же измерения для эталонного образца. Переводят показания милли­вольтметра в градусы. Строят полученные зависимости и , откладывая по оси абсцисс время, а по оси ординат - температуру.

  Из кривых охлаждения и графическим путем определяют скорости охлаждения и    для ряда температур. Для этого полученные кривые и разбивают вертикальными линиями с интервалом по оси t в 20-30 секунд.

  Определяют значения ординат кривой в соседних точках пере­сечения ее вертикальными прямыми и . Их разности дают изменения температур за время ∆t. Отношение равно средней скорости охлаждения при температуре , соответствующей средней температуре из этого интервала

По полученным данным строят графики зависимости скорости охлаждения 

  и от температуры .

  Рассчитывают теплоемкость исследуемого металла Cx для ряда температур, подставляя в формулу (2.6) значения , и при соответствующих температурах.

  Строят график зависимости .

Контрольные вопросы

1. Схема установки и последовательность выполнения данной работы.

2. Дайте определение удельной и мольной теплоемкости ве­щества; их размерность.

3. В чем суть классической теории теплоемкости твердых тел?

Закон Дюлонга и Пти (вывод). В чем состоит отличие теории от эксперимента?

4. Понятие гармонического осциллятора. Чему равна энергия осциллятора согласно Планку? Запишите внутреннюю энергию тела в расчете на один  грамм-атом согласно квантовым представлениям.

5. Сформулируйте основные положения теории теплоемкости твердых тел Эйнштейна. Сравните теорию с экспериментом.

6. Сформулируйте основные положения теории теплоемкости твердых тел Дебая. Понятие характеристической температуры.

7. Выведите формулу для экспериментального определения температурной зависимости удельной теплоемкости металлов.

Лабораторная работа №3

Определение сопротивлений методом мостовой схемы

  Упорядоченное движение электрических зарядов под действием сил электрического поля называется электрическим током. Необходимыми условиями существования тока являются: 1) наличие свободных зарядов; 2) наличие разности потенциалов на концах проводника. За направление тока принято направление движения положительных зарядов.

Электрический ток характеризуется силой тока. Сила тока численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Если за бесконечно малый промежуток времени dt  через поперечное сечение проводника проходит заряд dq, то мгновенная сила тока I=dq/dt.  Для постоянного тока его величина определяется соотношением I=q/t, где q-заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t. За единицу силы тока принимается 1 Ампер (А). При силе тока в 1А через поперечное сечение проводника протекает заряд 1 Кулон.

  Электрический ток характеризуется также плотностью тока j=dI/dSn, где dI - ток через физически бесконечно малую площадку dSn перпендикулярную направлению тока. Ток, величина и направление которого не изменяется со временем, называется постоянным током. Если величина и направление тока изменяются со временем, то ток называется переменным. При наличии электрического тока напряженность электрического поля внутри проводника не равна нулю, а силовые линии вектора Е не перпендикулярны поверхности проводника. При этом поверхность проводника не является эквипотенциальной.

  Рассмотрим участок проводника не имеющий разветвлений (рис. 3.1).

  Рис. 3.1

Участок ограничен сечениями 1 и 2 с потенциалами  ц1 и ц2. Величина напряжения на этом участке U= ц1-ц2 .Работа А по перемещению заряда q под действием сил электрического поля определяется соотношением

    (3.1)