ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ

9.По формуле 10.2. рассчитайте величину универсальной газовой постоянной.

10. Определить среднее значение R_ср.

11. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерений.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Измерьте давление в колбе по манометру сразу после откачки и спустя 1-2 минуты. Объясните, почему происходит изменение давления?

2. Определите величину погрешности, которая может быть допущена при расчете R, если не дожидаться выравнивания температуры воздуха в комнате и колбе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте и запишите основные газовые законы.

2. Выведите уравнение Менделеева – Клапейрона.

3. Каков физический смысл универсальной газовой постоянной?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ ИНДИКАТОРА МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(часового типа)

Цель работы: изучить теорию вопроса и познакомиться с одним из методов экспериментального определения термического коэффициента линейного расширения твердых тел.

Приборы и принадлежности:установка для нагревания исследуемых образцов и крепления индикатора, термометр, штатив с пробирками.

ВВЕДЕНИЕ

Тепловое расширение твердых тел характеризуется термическим коэффициентом линейного расширения. При нагревании тела, имеющего первоначальную длину l, его относительное удлинение пропорционально изменению температуры Dt, т.е.

(11.1.)

Коэффициент пропорциональности a называется истинным коэффициентом линейного расширения. При небольших изменениях температуры a практически не меняется (т.е. остается величиной постоянной), поэтому для расчетов можно пользоваться средним коэффициентом линейного расширения:

(11.2.)

где t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры тела,

l₁ и l₂ – длины тела, соответствующие этим температурам,

a - термический коэффициент линейного расширения указывающий относительное удлинение твердого тела при нагревании его на 1 К.

Приведем выражение (11.2.) к виду

Если принять длину тела l₀ при 0⁰С за начальную длину, то l_t – длина тела при t⁰С равна

(11.3.)

Обычно в таблицах приводятся значения a, определенные в интервале температур 0-1000⁰С. Если при температуре t₁ длина тела равна l₁, а при температуре t₂ равна l₂, то можно записать следующие соотношения:

используя которые, получаем выражение для a:

(11.4.)

Так как для твердых тел a представляет величину порядка 10^-5-10^-6 К^-1, то l₁ и l₂ исследуемого образца в небольшом интервале температур различают долями процента (0,05-0,1%), и расчетную формулу (11.4.) можно представить в виде (11.2). Ошибка, возникающая при таком определении a, лежит за пределами ошибки метода данной работы.

При больших изменениях температуры или высокой точности измерений и расчетов коэффициент a нельзя считать постоянным. Он возрастает с увеличением температуры и убывает с ее уменьшением, стремясь к нулю вблизи абсолютного нуля.

Термический коэффициент линейного расширения является важной характеристикой твердого тела. Однако измерения из-за малости удлинения образцов связаны с экспериментальными трудностями. Поэтому при измерении обращаются к таким косвенным методам, как, например, емкостный, интерференционный, рентгеновский и др.

В настоящей работе применяется метод прямого (непосредственного) измерения удлинения образцов с помощью индикатора часового типа.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка схематически показана на рис. 11.1.

Прибор состоит из корпуса, защищенного кожухом –1. Внутри кожуха установлен нагреватель –2, в который во время опытов вставляется пробирка –3 с исследуемым стержнем –4. На корпусе прибора установлена стойка, к ней прикреплен кронштейн –5 с индикатором малых перемещений –6. Кронштейн с индикатором может поворачиваться вокруг стойки на угол 90⁰. На панели корпуса расположен кнопочный выключатель –7 и сигнальная лампа –8. Прибор имеет провод, заканчивающийся штепсельной вилкой, включаемой в электрическую сеть напряжением 220 В. Испытуемый образец –4 нагревается в воде, налитой в стеклянную пробирку –3. Изменение длины нагретого образца по сравнению с его первоначальной длиной (при комнатной температуре) измеряется индикатором малых перемещений.

Рис. 11.1.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Заполните пробирку на 1/2 объема водой комнатной температуры. Измерьте температуру воды термометром.

2. Опустите в нее испытуемый образец сферическим концом вниз.

3. Поместите пробирку с испытуемым стержнем в нагреватель. При этом кронштейн с индикатором надо повернуть на четверть оборота в сторону от нагревателя.

4. Оттянув шток индикатора вверх, установите индикатор над пробиркой (повернув кронштейн в прорези до упора) и отпустите шток в углубление на конце стержня. Кронштейн зафиксируйте винтом.

5. Заметьте положение стрелки индикатора на его шкале. Лучше всего поверните шкалу индикатора так, чтобы стрелка была в нулевом положении.

6. Включите прибор в электрическую цепь и кнопкой подайте напряжение на нагреватель. При этом должна загораться сигнальная лампочка. При закипании воды в пробирке (не более, чем через 15 мин.) образец принимает температуру кипения воды. Увеличение длины образца определяется по отклонению стрелки индикатора от первоначального положения. Отсчет вести с точностью не меньше 5 микрон (0,5 деления шкалы).

7. Для проведения опыта с другими образцами необходимо:

а) кнопочным выключателем отключить питание прибора;

б) индикатор на кронштейне отвести от стержня на четверть оборота, предварительно оттянув его шток вверх;

в) убрать из нагревателя нагретую пробирку с исследуемым образцом, поместить ее в штатив;

г) повторить пункты 1-6 с другими образцами.

ВНИМАНИЕ!Так как дальнейшая работа проводится с нагретым прибором, во избежание заметных искажений в измерениях, время с момента помещения пробирки в зону нагрева до фиксации первоначального положения стрелки индикатора не должно превышать 30-40 с.

8. Данные измерений занесите в таблицу 11.1.

Таблица 11.1.