Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Сиротюк
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
Робота № 6. Вивчення ізотермічного процесу: дослідне підтвердження закону Бойля-Маріотта
Мета роботи: дослідити, як змінюється об’єм певної маси газу (за сталої температури) зі зміною тиску, і встановити співвідношення між ними.
Обладнання: скляний циліндр заввишки 40 см з водою (або мензурка), скляна трубка завдовжки 40-50 см, закрита з одного кінця, лінійка з міліметровими поділками, барометр БР-52 (один на клас), штатив універсальний.
Підготовка до виконання роботи
Дайте відповіді на запитання:
2. Яке співвідношення між 1 мм рт. ст. і 1 Па?
Розв’яжіть задачі:
1. Об’єм повітря в циліндрі зменшили в 5 разів, різко опустивши поршень. Чи можна вважати, що тиск газу в циліндрі збільшився у 5 разів, а температура залишилася сталою?
2. Чи є процес ізотермічним, якщо газ, який був у початковому стані за нормальних умов (р1 = ратм = 105 Па, t1 = 20 °С) і об’ємом V1 = 1 л, перевели у стан з макропараметрами р2 = 2 • 105 Па, V2 = 5 • 10-4 м3?
Теоретичні відомості
Для опису властивостей газів користуються трьома макропараметрами, які однозначно визначають стан газу та знаходять простим вимірюванням за допомогою приладів, це тиск - р, абсолютна температура - Т і об’єм газу - V. Значення таких величин визначаються спільною дією великої кількості молекул, тому їх називають макроскопічними. Тиск вимірюють барометром, температуру - термометром, а об’єм - лінійкою або мензуркою.
Процес у газі, який відбувається за сталої температури (Т = const), називають ізотермічним, а його графік - ізотермою. Залежність між тиском р газу і його об’ємом V за сталої температури дослідним шляхом уперше встановили Роберт Бойль і Едм Маріотт.
Закон Бойля-Маріотта визначає те, що якщо маса газу в системі не змінюється (замкнена система), то добуток тиску газу і його об’єму є стала величина для будь-якого стану газу при ізотермічному процесі: pV = const.
Це означає, що коли об’єм газу зменшується, тиск підвищується, а коли збільшується, тиск знижується. При ізотермічному стисканні газу його частинкам надається менший об’єм, і тому вони частіше стикаються зі стінками посудини, що призводить до підвищення тиску газу. При ізотермічному розширенні газу все відбувається навпаки.
При врахуванні закону Менделєєва-Клапейрона для будь-якої кількості станів ідеального газу для ізотермічного процесу справджується:
Для будь-яких двох станів газу (початкового і кінцевого) закон Бойля-Маріотта має такий вигляд: p1V1 = p2V2.
Закон Бойля-Маріотта можна перевірити за допомогою такого досліду.
Опустіть відкритим кінцем униз трубку у скляний циліндр висотою 40 см з водою (мал. 12) і закріпіть її у штативі. Повітря у трубці буде під тиском, який дорівнює атмосферному Н і гідростатичному тиску стовпчика води висотою h. (Для спрощення розрахунку атмосферний тиск і тиск стовпчика води доцільно вимірювати в мм рт. ст.).
Мал. 12
Об’єм повітря у трубці визначається за формулою: V = SL, де S - площа поперечного перерізу повітряного стовпчика у трубці, м2; L - довжина стовпчика повітря, мм рт. ст. (мал. 12).
Із зміною глибини занурення трубки змінюється об’єм V повітряного стовпчика у трубці (і L довжина стовпчика повітря) і, відповідно, тиск р повітря в ній.
Оскільки площа поперечного перерізу повітряного стовпчика S є стала величина (форма трубки не змінюється), то закон Бойля-Маріотта перепишемо так: p1L1 = p2L2.
Тому значення L можна прийняти за значення V в умовних одиницях.
Хід роботи
1. Виміряйте барометром атмосферний тиск Н у мм рт. ст. (Під таким тиском перебуває повітря у трубці до її занурення у воду).
2. Опустіть у воду трубку відкритим кінцем донизу на максимальну глибину. Виміряйте довжину стовпчика L повітря у трубці і різницю рівнів води в ній і в циліндрі - h. Щоб зручніше було визначити довжину стовпчика L повітря у трубці, один раз виміряйте лінійкою довжину трубки, яку занурюєте у воду, та відніміть від цього значення довжину стовпчика води в нижній частині трубки.
3. Повторіть вимірювання L і h для двох менших глибин занурення трубки.
5. Визначте середнє значення Сс з трьох значень за формулою:
Сс = (С1 + С2 + С3) : 3.
6. Обчисліть абсолютну похибку вимірювань ΔС за формулою:
ΔС = С - Сс для всіх трьох дослідів.
7. Обчисліть середню абсолютну похибку вимірювань ΔСс за формулою: ΔСс = (ΔС1 + ΔС2 + ΔС3) : 3 для всіх трьох значень.
8. Визначте відносну похибку є вимірювань за формулою:
9. Результат запишіть у вигляді: Сс - (ΔС)с≤ С ≤ Сс + (ΔС)с.
10. Результати вимірювань і обчислень запишіть у таблицю.
11. Зробіть висновки.
Творче завдання
У навчальній літературі є така задача: «Водяний павук-сріблянка будує під водою повітряний палац, переносячи на лапках та черевці бульбашки атмосферного повітря і вміщуючи їх під купол павутиння, прикріпленого кінцями до водяних рослин. Скільки «рейсів» треба зробити павукові, щоб на глибині 50 см побудувати палац об’ємом 1 см3, якщо щоразу він бере повітря об’ємом 5 мм3 за нормального атмосферного тиску?».
Використовуючи інші джерела, дослідіть, чи дійсно ця комаха так поводиться.
Варіант 2
Вивчення ізобарного процесу: дослідна перевірка закону Гей-Люссака
Мета роботи: на дослідах перевірити закон Гей-Люссака.
Обладнання: скляна трубка довжиною 600 мм і діаметром 8-10 мм, запаяна з одного кінця, посудина висотою 600 мм і діаметром 40-50 мм, наповнена гарячою водою (≈60 °С), склянка з водою кімнатної температури, лінійка з міліметровими поділками, пластилін або корок.
Підготовка до виконання роботи
Дайте відповіді на запитання:
1. Які газові закони випливають з рівняння Менделєєва-Клапейрона?
2. Дайте визначення закону Гей-Люссака.
Розв’яжіть задачі:
1. На скільки градусів треба ізобарно нагріти газ, узятий за температури 17 °С, щоб його об’єм збільшився від 50 см3 до 60 см3?
2. Визначте початковий об’єм газу, якщо температура його збільшилася від 127 °С до 227 °С, а кінцевий об’єм дорівнює 2,5 м3.
3. Тиск повітря в шинах велосипеда за температури 12 °С становить 1,5 атм. Чому дорівнює тиск за температури 42 °С?
Теоретичні відомості
Скляну трубку відкритим кінцем угору вставляють на 3-5 хв у циліндричну посудину з гарячою водою (мал. 13, а). У цьому випадку об’єм повітря V1 дорівнює об’єму скляної трубки, а температура - температурі гарячої води Т1. Це - перший стан. Щоб під час переходу повітря у другий стан його кількість не змінилася, відкритий кінець скляної трубки, що перебуває в гарячій воді, закривають пластиліном або корком. Після цього трубку виймають з посудини з гарячою водою і закритий кінець швидко опускають у склянку з водою кімнатної температури (мал. 13, б), а потім під водою знімають пластилін або корок. З охолодженням повітря у трубці вода в ній підніматиметься. Після того як вода перестане підніматися у трубці (мал. 13, в), об’єм повітря в ній дорівнюватиме V2 < V1, а тиск р = ратмρgh.
Мал. 13
Хід роботи
1. Підготуйте таблицю для записування результатів вимірювань і обчислень.
2. Підготуйте склянку з водою кімнатної температури і посудину з гарячою водою.
3. Виміряйте довжину скляної трубки і температуру води в циліндричній посудині Т1.
4. Приведіть повітря у трубці у другий стан так, як про це розповідалося вище. Виміряйте довжину l2 повітряного стовпа у трубці і температуру навколишнього повітря Т2.
Творче завдання
1. Чому після занурення трубки у склянку з водою кімнатної температури і після зняття пластиліну вода у трубці піднімається?
2. Чому коли рівні води у склянці та у трубці однакові, тиск повітря у трубці дорівнює атмосферному?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України