Материал: Шилов Лабораторный практикум курса обсчей физики Разделы 2012

тановке переключателя 2 в режим «Count», фотодатчик фиксирует количество пересечений шариками луча фотодатчика. Количество пересечений отражается на дисплее 1. Для того, чтобы обнулить показания прибора, необходимо нажать клавишу «Set» 3. Конструкция установки позволяет легко перемещать фотодатчик по вертикали. Для измерения высоты фотодатчика удобнее всего воспользоваться шкалой, нанесенной на переднюю стеклянную стенку внутреннего пространства прибора, моделирующего тепловое движение. Таким образом, проводя измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика за равные промежутки времени на различной высоте, можно определить зависимость концентрации молекул идеального газа от высоты в поле тяжести Земли. Равные промежутки времени отсчитываются при помощи секундомера 3

(см. рис. 2.10.3).

Рис. 2.10.4

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1.При работе со стробоскопом соблюдать осторожность, не попадания света стробоскопа в глаза.

2.При перемещении фотодатчика вдоль кронштейна следить за тем, чтобы его плоскость была горизонтальна.

111

3. При подаче питания на прибор, моделирующий тепловое движение, напряжение увеличивать плавно.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Убедиться в том, что поршень прибора для моделирования теплового движения находится на высоте 150 мм, а переключатель фотодатчика установлен в положении «Count».

2.Включить стробоскоп и выставить на нем частоту ν1 = 70 Гц.

3.Осветить стробоскопом основание прибора для моделирования теплового движения и, регулируя напряжение на источнике, добиться кажущейся неподвижности основания. Выключить стробоскоп. При проведении измерений напряжение не изменять.

4.Поместить фотодатчик на высоте 15 мм (высота измеряется по нижней горизонтальной плоскости датчика).

115

230

2 45

……

……

5.Одновременно запустить секундомер и нажать кнопку «Set» на фотодатчике. Измерить количество пересечений шариками луча фотодатчика в течение 30 с (показания фотодатчика по прошествии 30 с). Результаты занести в табл. 2.10.1. Повторить измерения еще два раза.

6.Перемещая датчик по вертикали с шагом 15 мм, проводить измерения, описанные в п. 5, до тех пор, пока количество пересечений не станет меньше 30.

7. Провести измерения, описанные в пп. 2–6, для частоты ν2 = 90 Гц. Результаты занести в таблицу, составленную по образ-

цу табл. 2.10.1.

112

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Как уже было сказано, если количество пересечений на различных высотах измеряется в течение равных промежутков времени, то зависимость количества пересечений от высоты будет пропорциональна зависимости концентрации молекул от высоты. Из зависимости (2.10.4), полученной в теоретическом введении к работе, следует, что

ln N = const − mghkT ,

т.е. зависимость логарифма количества пересечений от высоты также должна быть линейной, а угловой коэффициент этой прямой

равен α = mgkT . Для построения графика необходимо вычислить

среднее значение количества пересечений на каждой высоте и его погрешность. Погрешность вычисляется методом Корнфильда

N = Nmax − Nmin .

2

Затем необходимо вычислить натуральный логарифм количества

ния занесите в табл. 2.10.1 и таблицу, построенную в п. 7 аналогично табл. 2.10.1. Постройте полулогарифмический график зависимости количества пересечений от высоты для каждой частоты. Убедитесь в том, что графики линейны.

Методом парных точек определите угловой коэффициент графика зависимости логарифма количества пересечений от высоты и его погрешность. Вычисления необходимо провести для обеих частот.

В силу того, что частота колебаний основания прибора моделирующего тепловое движение определяет температуру газа, то отношение угловых коэффициентов графиков должно быть равно обратному отношению частот.

Вычислите отношение угловых коэффициентов графика и его погрешность

113

ηэксп = α1 ,

α2

Вычислите теоретическое значение отношения угловых коэффициентов

ηтеор = ν2 .

ν1

Сравните экспериментальныеи теоретическиезначения.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты данной работы должны быть представлены в виде двух полулогарифмических графиков зависимости количества пересечений от высоты для частот ν1 = 70 Гц и ν2 = 90 Гц, а также

угловых коэффициентов этих графиков и экспериментального и теоретического значений отношения угловых коэффициентов. В заключении к работе должно быть проведено обсуждение формы графиков, обсуждение погрешности и сравнение теоретических и экспериментальных данных.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Можно ли проводить измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика на разных высотах в течение разного времени? Обоснуйте свой ответ.

2.На какой высоте нужно прекратить измерения количества пересечений шариками луча фотодатчика?

3.Какой вид имеет зависимость логарифма количества пересечений от высоты?

4.Чему равен угловой коэффициент зависимости логарифма количества пересечений от высоты?

5.Как угловой коэффициент зависимости логарифма количества пересечений от высоты зависит от массы шариков? А от час-

114

тоты колебаний основания прибора для моделирования теплового движения?

6.Как распределены молекулы идеального газа в отсутствии внешних силовых полей?

7.При изменении температуры газа меняется ли давление газа на нулевой высоте? А концентрация молекул?

8.Что происходит с концентрацией газа на нулевой высоте при уменьшении температуры?

9.Какой эффект используется для определения частоты колебаний основания прибора, моделирующего тепловое движение молекул?

10.Каким образом в данной работе можно менять «температуру газа»?

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 3. Молекулярная физика и термодинамика. М.: Астрель, 2008.

2.Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Дополнительная

1. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010.

115