Исследовательский домашний эксперимент
(материал для проведения занятия физического кружка)
Тема: Определение удельной теплоемкости воды.
Цель исследования: определить удельную теплоемкость воды, используя бытовые приборы учета потребления газа и электроэнергии.
Задачи исследования:
провести опыт; вычислить значение удельной теплоемкости воды; оценить погрешность результата; сформулировать выводы.План 1-го занятия:
Вводная беседа. Методика эксперимента. Техника безопасности. Оценка погрешности. Формулировка выводов.Беседа
В природе не было бы ни весны, ни осени, если бы вода не обладала высокой удельной теплоемкостью.
Вода является незаменимым терморегулятором планеты. Благодаря большой теплоемкости мирового океана сглаживаются температурные переходы от зимы к лету и наоборот, что позволяет живым организмам постепенно приспосабливаться к новым сезонным условиям.
Высокая удельная теплоемкость воды способствует медленному нагреванию и охлаждению. Обитающие в воде организмы предохранены от резких колебаний температуры, приспосабливаясь к ритмическим колебаниям – суточным, сезонным, годовым. Вода в атмосфере оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия.
Лучший иллюстратор большой теплоемкости воды — обыкновенный чайник. Если его пустым поставить на огонь, он быстро раскалится. А если наполнить водой, то за то же время он лишь слегка нагреется.
Так как теплоемкость воды высока, то она эффективно и быстро заберет излишки энергии. Поэтому вода широко применяется в производстве как удобный и доступный охладитель.
Да и дома мы наверняка знаем, что самый эффективный способ охладить сваренные вкрутую яйца или горячую сковородку – ополоснуть струей холодной воды.
Высокая удельная теплоемкость воды способствует её применению в отопительной системе, в медицинских грелках, в атомных реакторах.
Из-за высокой удельной теплоемкости воду широко используют в быту и технике. Например, в отопительных системах, для охлаждения обрабатываемых деталей.
Теоретическая модель исследования
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, вычисляется по формуле Q=сm(t2- t1).
Из этой формулы можно выразить удельную теплоемкость: с=Q/(m∙Дt), где Дt = (t2- t1).
Измерив начальную температуру воды и зная температуру кипения, можно определить изменение температуры Дt. Количество теплоты, необходимое для нагревания воды, определяется по расходу электроэнергии и газа (предварительно все другие потребители нужно отключить).
Перечень необходимого оборудования:
бытовой мерный стакан, чайник, электрический чайник, прибор учета потребления газа, прибор учета потребления электроэнергии.
Последовательность действий:
1) налить в чайник определенное количество воды;
2) измерить начальную температуру воды;
3) зафиксировать показание прибора учета;
4) довести воду до кипения;
5) зафиксировать показание прибора учета.
Оценка погрешности:
1) Абсолютная погрешность: разность между точным значением и полученным результатом.
2) Относительная погрешность: отношение абсолютной погрешности к точному значению.
3) Какими факторами обусловлена погрешность?
Регистрация и обработка полученных данных:
а) Опыт с использованием электроэнергии
объем воды, л | начальная температура воды t1, 0 С | конечная температура воды t2, 0 С | начальное показание счётчика, кВт∙ч | конечное показание счётчика, кВт∙ч |
100 |
Вычисления:
с=Q/(m∙Дt);
m= сV
б) Опыт с использованием бытового газа
объем воды, л | начальная температура воды t1, 0 С | конечная температура воды t2, 0 С | начальное показание счётчика, м3 | конечное показание счётчика, м3 |
100 |
Вычисления:
Q= mг q= сVq;
с=Q/(m∙Дt)
Примечание: плотность бытового газа найдите в справочниках.
План 2-го занятия:
Анализ результатов. Формулировка общих выводов. Определение факторов, вносящих погрешность.Выводы:
В домашних условиях можно определить удельную теплоемкость воды. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью.Погрешность вносят следующие факторы:
1) погрешность прямых измерений (термометр, мерный стакан бытовой). Погрешность равна половине цены деления измерительного прибора;
2) не учитывается нагревание самого чайника;
3) не учитывается теплообмен с окружающей средой;
4) в опыте выбран большой интервал изменения температуры. Удельная теплоемкость с ростом температуры изменяется. Результат будет более точным, если определить удельную теплоемкость несколько раз, изменяя температуру на небольшую величину. Затем найти среднее значение. Но бытовой счётчик не позволяет фиксировать небольшие расходы энергии.
