Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012
2.Для каждого расстояния вычислите погрешность измерения времени по методу Корнфельда. Результаты запишите в табл. 2.5.1.
3.По полученным результатам постройте график зависимости времени прохождения звука от расстояния между стержнем, источником звука и микрофоном. Отложите на графике рассчитанные погрешности экспериментальных точек (из табл. 2.5.1). График должен представлять собой прямую линию.
4.Методом парных точек определите угловой коэффициент построенной прямой и погрешность его определения. По угловому коэффициенту найдите скорость звука в воздухе и ее погрешность.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
По результатам проделанной работы напишите в лабораторном журнале заключение, в котором:
1)укажите, что (какая физическая величина) измерялось в данной работе;
2)укажите, каким методом выполнялись измерения;
3)приведите полученное в работе значение скорости звука в воздухе с погрешностью;
4)рассчитайте по формуле (2.5.1) теоретическое значение скорости звука и приведите его в заключении;
5)по справочным таблицам определите (и укажите в заключении) табличное (измеренное другими авторами) значение скорости звука в воздухе;
6)если обнаружится расхождение приведенных значений скорости звука, обсудите в заключении возможные причины такого расхождения;
7)обсудите точность измерений и природу погрешности, с которой измерена скорость звука в данной работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Дайте определение звуковой волны.
2.В чем отличие продольных волн от поперечных? Какой волной является звук?
3.Возможно ли возникновение поперечных волн в газах?
56
4.В каких средах скорость звука выше: твердых или газообраз-
ных?
5.В каком газе (гелии или азоте) скорость звука больше (температуры газов одинаковы)? Чем обусловлено различие?
6.Как зависит скорость звука от температуры воздуха?
7.Каковы возможные источники погрешностей в данной работе?
8.Каковы могут быть причины неверного измерения времени прохождения звуком расстояния между стержнями?
ЛИТЕРАТУРА
1.Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 4. Волны. Оптика. М.: Астрель, 2004.
2.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика. М.: Мир, 1979.
57
Работа 2.6
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТАНОВКИ «КОБРА 3»
Цель: экспериментальная проверка справедливости закона Шарля для воздуха; определение универсальной газовой постоянной и термического коэффициента давления газа.
Оборудование: стеклянный корпус, H-образная опора, газовый шприц на 100 мл, нагреватель, блок измерения давления, трубкапереходник для подключения датчика давления, термопарный датчик температуры (–10...120 °C), магнит, магнитная мешалка, воронка, штатив, зажимы, универсальный блок «Кобра 3», источник питания 12 В, персональный компьютер с программным обеспечением для изучения уравнения состояния газа.
ВВЕДЕНИЕ
Системы, состоящие из очень большого числа частиц (молекул, атомов, электронов и др.), называются макросистемами. Примером может служить, например, газ или жидкость. Состояние макросистемы характеризуется величинами, которые называют термодина-
мическими параметрами системы (температура T, давление p,
объем V и т.п.), причем эти параметры связаны друг с другом, так что изменение одного из них влечет за собой изменение других.
Из трех агрегатных состояний вещества наиболее простым является газообразное, так как в этом случае силы, действующие между молекулами, очень малы (т.е. при определенных условиях ими можно пренебречь). Будем считать, что межмолекулярные силы в газе полностью отсутствуют. Для простоты пренебрежем также размерами молекул, т.е. будем считать их материальными точками. При этих предположениях молекулы газа являются совершенно свободными, т.е. движутся равномерно и прямолинейно. Предположим также, что столкновения молекул газа друг с другом и со стенками сосуда – абсолютно упругие. Газ, обладающий такими свойствами, называется идеальным газом. Идеальный газ представ-
58
ляет собой абстрактную модель, применяемую для описания реальных газов. Любой реальный газ по мере убывания его плотности приближается по своим свойствам к идеальному. Некоторые газы (например, воздух, кислород, азот, гелий) при комнатной температуре и атмосферном давлении весьма близки к идеальному газу.
Равновесным называют такое состояние системы, при котором все ее макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными в отсутствии внешнего воздействия, при этом давление и температура имеют одинаковые значения во всех частях объема. Уравнение, связывающее температуру, давление и объем идеального газа в состоянии теплового равновесия, называется его уравнением состояния. Например, законы Бойля–Мариотта и ГейЛюссака представляют собой уравнения состояния идеального газа для случаев, когда один из параметров газа постоянен. Закон Бой- ля–Мариотта заключается в следующем: произведение объема V
газа на его давление p зависит только от температуры t:
pV = const, t = const. |
(2.6.1) |
Переход газа из одного состояния в другое, происходящий при постоянной температуре, носит название изотермического процесса.
Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении p объ-
ем V данной массы газа меняется линейно с температурой t:
V = V0(1 + αpt), p = const, |
(2.6.2) |
причем коэффициент объемного расширения газа αp для всех идеальных газов один и тот же. Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарическим.
Если переход газа из одного состояния в другое совершается при постоянном объеме, то такой переход называется изохорическим процессом. В этом случае выполняется закон Шарля: для дан-
ной массы газа при постоянном объеме V давление газа p изменяется линейно с температурой t:
p = p0(1 + αV t), V = const, |
(2.6.3) |
где р0 – давление газа при 0 оС; р – давление газа при температуре t; αV – термический коэффициент давления (изохорный коэффициент давления). Этот закон был открыт Шарлем* в 1787 г.
* Jacques Alexandre César Charles (1746–1823) – французский ученый-
изобретатель.
59
Из закона Шарля следует, что
|
|
1 |
|
p − p |
0 |
|
|
|
αV |
= |
|
|
|
|
. |
(2.6.4) |
|
p 0 |
t |
|
||||||
|
|
|
|
V |
|
|||
Термический коэффициент давления αV представляет собой относительное изменение давления при изменении температуры на 1 К при изохорическом процессе. Относительное изменение давления определяется по отношению к давлению, соответствующему нормальным условиям, т.е. при 0 оС.
Экспериментально установлено, что для идеального газа
αV = αp = α = 1/273,15 К-1. |
(2.6.5) |
Согласно формуле (2.6.3), изохорический процесс изображается на графике прямыми линиями (изохорами, где V1 < V2 < V3) (рис. 2.6.1), проходящими наклонно к оси температуры и пересекающими ее в точке t = –1/α = –273,15 оС, определяемой из условия 1 + αt = 0. Если перенести начало отсчета в эту точку, то происходит переход к шкале Кельвина, причем Т = t + 1/α. Точка t = –273,15 оС принята за начало отсчета новой шкалы температур,
называемой термодинамической, или абсолютной шкалой (шкалой Кельвина). Температура, отсчитываемая по этой шкале, называется
термодинамической; нуль этой шкалы называется нулем Кельвина.
Рис. 2.6.1
60