Лабораторные работы по физике, 10 класс

6. Опытная проверка закона Бойля-Мариотта

Цель работы: проверить на опыте обратно пропорциональную зависимость между давлением газа и его объемом при постоянной температуре.

Оборудование: стеклянная трубка с пробкой, гибкая трубка (например, резиновая) длиной около 1,5 м, стеклянная или прозрачная пластмассовая воронка, метровая линейка, два штатива с лапками.

Описание работы
В один конец гибкой U-образной трубки (рис. 1) вставлена стеклянная трубка, а в другой конец – прозрачная воронка. Всю систему заполняют водой так, чтобы над трубкой оставался небольшой объем воздуха. Затем трубку плотно закрывают пробкой, При этом в трубке остается объем воздуха V₁ = l₁S, где l₁ – начальная высота столба воздуха, S – площадь поперечного сечения трубки. Этот воздух находится при атмосферном давлении p₁ = p_a.

Если поднять конец трубки с воронкой, то давление воздуха под пробкой увеличится и станет равным p₂ = p_a + ρgh, где ρ – плотность воды, h – разность уровней воды в воронке и стеклянной трубке. Конечную высоту столба воздуха обозначим l₂. Тогда конечный объем воздуха в трубке V₂ = l₂S.

Вследствие теплообмена с окружающим воздухом температуру воздуха в стеклянной трубке можно считать постоянной. Поэтому согласно закону Бойля – Мариотта

p_aV₁ = (p_a + ρgh)V₂,

откуда

p_al₁ = (p_a + ρgh)l₂.

Это соотношение и проверяется в данной работе.

Ход работы

1. Определите по барометру-анероиду атмосферное давление pa. (Если в классе нет барометра-анероида, можно принять значение атмосферного давления равным нормальному атмосферному давлению (10⁵ Па).) Результат (в паскалях) запишите в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

2. Конец гибкой трубки, соединенный со стеклянной трубкой, осторожно закрепите в лапках штатива на высоте 40 – 50 см.

3. Конец гибкой трубки, соединенный с воронкой, осторожно закрепите в лапках второго штатива на такой же высоте.

4. Через воронку наполните систему водой так, чтобы поверхность воды в стеклянной трубке была ниже верхнего конца трубки на 10 – 15 см (см. рис. 1).

5. Закройте стеклянную трубку пробкой и измерьте высоту l1 воздушного столба в ней. Результат запишите в таблицу.

6. Поднимите конец гибкой трубки с воронкой на 1 м. Измерьте высоту воздушного столба l₂ и разность уровней воды h в воронке и стеклянной трубке. Результаты запишите в таблицу.

7. Вычислите давление воздуха в стеклянной трубке по формуле p₂ = p_a + ρgh. Запишите расчет.

8. Результаты внесите в таблицу и проверьте, выполняется ли закон Бойля – Мариотта. Расчет запишите в тетради.

9. Запишите выводы из эксперимента.

7. Проверка уравнения состояния идеального газа

Цель работы: экспериментально проверить уравнение состояния идеального газа (соотношение между объемом, давлением и температурой газа), приняв, что воздух в хорошем приближении можно рассматривать как идеальный газ.

Оборудование: стеклянная трубка (можно использовать пробирку), пробка; два стеклянных цилиндрических сосуда; барометр; термометр; линейка; горячая и холодная вода.

Описание работы
Сначала стеклянную трубку опускают закрытым концом вниз в сосуд с горячей водой, чтобы воздух внутри трубки нагрелся до температуры T₁, равной температуре горячей воды (рис. 2). При этой температуре объем воздуха в трубке V₁ = l₁S, где l₁ – ее длина, S – площадь поперечного сечения. При этом давление воздуха в трубке p₁ = p_a.

Затем трубку закрывают, переворачивают и опускают в сосуд с холодной водой так, чтобы запаянный конец трубки находился на уровне воды (рис. 3). Через некоторое время воздух в трубке охладится до температуры холодной воды T₂, вследствие чего его объем V и давление p изменятся. Во втором состоянии объем воздуха можно вычислить по формуле V₂ = l₂S, где l₂ – длина столба воздуха в трубке. Давление воздуха во втором состоянии равно сумме атмосферного давления и давления водяного столба, высота которого тоже равна l₂:

p₂ = p_a + ρgl₂,

где ρ – плотность воды.

Согласно уравнению состояния идеального газа должно выполняться соотношение

(p₁V₁)/T₁ = (p₂V₂)/T₂.

Отсюда следует, что

(p_al₁)/T₁ = ((p_a + ρgl₂) * l₂)/T₂.

Цель работы – проверить на опыте, с какой точностью выполняется это равенство.

Ход работы
1. Измерьте длину трубки l₁. Запишите результат этого и всех последующих измерений в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

2. В сосуд с горячей водой опустите открытую трубку закрытым концом вниз на 1 – 2 мин. Измерьте температуру T₁ горячей воды. Не забудьте перевести температуру в шкалу Кельвина.

3. Закрыв трубку резиновой пробкой, опустите ее пробкой вниз в сосуд с холодной водой. Под водой выньте пробку и опустите трубку так, чтобы ее закрытый конец находился на уровне воды (см. рис. 3). Измерьте температуру T₂ холодной воды и длину столба воздуха в трубке l₂.

4. Определите давление p₁ воздуха в трубке в первом состоянии по показаниям барометра, а давление воздуха в трубке во втором состоянии – по формуле p₂ = p_a + ρgl₂.

5. Сделайте необходимые расчеты и заполните все столбцы таблицы. Расчеты запишите.

6. Сравните значения дробей в двух последних столбцах таблицы и запишите выводы.

8. Измерение относительной влажности воздуха

Цель работы: научиться определять влажность воздуха с помощью психрометра.

Оборудование: два термометра, резервуар одного из которых обернут тканью, стакан с водой комнатной температуры, психрометрическая таблица.

Описание работы
Психрометр состоит из двух термометров, резервуар одного из которых обернут влажной тканью (рис. 4). Вода с ткани испаряется, вследствие чего влажный термометр охлаждается. Поэтому показания влажного термометра ниже, чем показания сухого.

Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется вода. Поэтому по разности показаний двух термометров и показаниям сухого термометра можно измерять влажность воздуха. При этом используют психрометрическую таблицу. (Психрометрическая таблица должна быть доступна учащимся. Перед выполнением данной работы полезно попрактиковаться в использовании психрометрической таблицы при решении задач.)

Ход работы

1. В начале урока налейте воду комнатной температуры в сосуд, в котором находится резервуар термометра, обернутого тканью.

2. Подождите 7–10 мин (пока показания влажного термометра перестанут изменяться) и запишите показания сухого и влажного термометров в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

3. С помощью психрометрической таблицы определите относительную влажность воздуха и запишите результат в таблицу.

4. Запишите, что вы измеряли и какой получен результат.

9. Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока

Цела работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление батарейки.

Оборудование: батарейка, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода.

Описание работы
Используя закон Ома для полной цепи, напряжение на полюсах источника тока можно выразить через ЭДС источника ξ, силу тока в цепи I и внутреннее сопротивление источника r с помощью соотношения (§ 59):

U = ξ – Ir.

Из этой формулы следует, что график зависимости U(I) представляет собой прямую, которая пересекает оси координат в точках (0; ξ) и (ξ/r; 0). Этот график изображен на рисунке 5.

Ход работы

1. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 6.

2. Измерьте силу тока в цепи и напряжение на полюсах источника при нескольких положениях ползунка реостата (сделайте не менее четырех измерений). Результаты измерений запишите в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

3. Начертите в тетради оси координат I и U и нанесите полученные на опыте точки на координатную плоскость.

4. Используя прозрачную линейку, проведите через отмеченные точки прямую так, чтобы отклонения точек от этой прямой были наименьшими.

5. Найдите точки пересечения этой прямой с осями координат. По ним определите значения ЭДС источника ξ и его внутреннего сопротивления r. Запишите полученные результаты.

6. Проверьте: совпадает ли полученное вами значение ЭДС источника с показаниями вольтметра при разомкнутых полюсах источника. Сделайте соответствующий вывод.

7. Запишите выводы из эксперимента.

10. Мощность тока в проводниках при их последовательном и параллельном соединении

Цель работы: сравнить мощность тока в двух проводниках при их последовательном и параллельном подключении.
Оборудование: батарейка, амперметр, вольтметр, два резистора с сопротивлениями, отличающимися в несколько раз, ключ, соединительные провода. (Желательно использовать батарейку напряжением 4,5 В.)

Описание работы
Для сравнения значений мощности тока в двух проводниках, соединенных последовательно, удобнее использовать формулу P = I₂R, потому что в таком случае сила тока в проводниках одинакова.

А для сравнения значений мощности тока в проводниках при их параллельном соединении удобнее использовать формулу P = U²/R, потому что при атом напряжение на концах проводников одинаково.

Ход работы

Последовательное соединение

1. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 7.

2. Измерьте значения силы тока в каждом проводнике и напряжения на концах проводников. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

3. Вычислите значения сопротивления проводников, мощности тока в них, а также отношения значений сопротивления и мощности тока. Результаты запишите в таблицу.

Параллельное соединение

4. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке 8.

5. Измерьте значения силы тока в каждом проводнике и напряжения на концах проводников. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

6. Вычислите значения сопротивления проводников, мощности тока в них, а также отношения значений сопротивления и мощности тока. Результаты запишите в таблицу.

7. Сравните числа в последних двух столбцах таблицы при последовательном и параллельном соединениях проводников. Сделайте соответствующий вывод.

8. Запишите выводы из эксперимента.