Определение цены деления многопредельного прибора.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Величины

Величина – это все, что можно измерить количественно.

Измерение – сравнение значений какой- либо величины.

Единица измерения- значение величины, с которой сравниваются все другие значения этой же величины.

Числовое значение величины- число, показывающее, сколько в измеренной величине содержится единиц измерения.

Физические величины- величины, характеризующие физические свойства материи или характерные особенности физических явлений природы.

Измерения

1. Измерение, при котором значение величины определяется непосредственным сравнением с ее единицей, называют прямым измерением.
2. Измерение, при котором числовое значение величины находится по формуле путем вычисления, называют косвенным измерением.

Правила вывода единиц из формул:

1. Подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой единицы всех других величин известны.

1. Алгебраически найти из формулы буквенное выражение этой величины.
2. В полученное выражение подставить все известные единицы измерения и их размерности.
3. Выполнить все требуемые алгебраические действия, как над числами, так и над размерностями.
4. Принять полученный результат за искомую единицу и дать ей название.

Пример: 1. A = Nt, 2. N = A / t, 3. N = 1 Дж / 1с = (1кг*м²/ с²) / 1с, 4. N = 1кг*м²/с³, 5. N Þ 1 Вт (ватт)

Основные единицы – устанавливаются произвольно и независимо друг от друга.

Производные единицы – выводятся из формул.

Система единиц – совокупность основных единиц с выведенными из них производными единицами.

Международная система единиц СИ- построена на 7 основных единицах:

1. единица длины- 1 метр (м)
2. единица массы- 1 килограмм (кг)
3. единица времени- 1 секунда (с)
4. единица температуры- 1 кельвин (К)
5. единица силы тока- 1 ампер (А)
6. единица силы света- 1 кандела (кд)
7. единица количества вещества- 1 моль (моль)

Погрешности

1. Систематические – вызываются в основном исправностью приборов, ошибочностью метода измерения, или постоянным односторонним внешним воздействием.
2. Случайные – вызываются той неточностью, которой неизбежно сопровождается наблюдение показаний приборов, а также неточностью отсчетов, которую непроизвольно может внести всякий экспериментатор.
3. Промахи – обуславливаются небрежностью отсчета по прибору, неправильным включением прибора или другими нарушениями условий измерения.

Порядок вычисления погрешностей результатов
измерения физической величины

1. Если физическую величину а измерили n раз и получили следующие результаты: а₁, а₂, а₃, … а_n, то вначале определяем среднее значение результатов измерений по формуле:

.

2. Затем находим абсолютную погрешность, каждого измерения следующим образом:

;

;

;

……………;

.

3. После этого вычисляем среднее значение абсолютной погрешности измерений по формуле:

.

4. Последним пунктом вычисления погрешности измерения является нахождение относительной погрешности по формуле:

Лабораторная работа №1.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

№№ пп	Атмосферное давление	Разность уровней	Параметры газа	Газовая постоянная	Погрешности опыта
Давление	Объем	Абсолютная температура	Текущее значение	Среднее значение	Абсолютная	Среднее значение абсолютной	Относительная
			Рр	V	T	C
мм.рт.ст.	мм.рт.ст.	мм.рт.ст.	усл.ед.	К	усл.ед.	усл.ед.	усл.ед.	усл.ед.	%

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ

1. Какие параметры при описании свойств газов называются макроскопическими, а какие микроскопическими? Какие параметры называются термодинамическими?

2. Какие параметры полностью описывают состояния определённой массы газа?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ

3. Как формулируется объединённый газовый закон и его запись в виде формулы?

4. Почему давление исследуемой массы газа определяется по формулам?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ

5. Как достигается в данной работе неизменность массы исследуемого газа и какой это газ?

6. В чём причина того, что полученные значения не имеют одинаковые значения? Можно ли на основании этого сделать вывод, что объединённый газовый закон несправедлив?

Лабораторная работа № 2.

Определение удельной теплоты парообразования.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1. Колба.

2. Паропровод (резиновая трубка).

3. Калориметр.

4. Электроплитка.

5. Термометр.

6. Технические весы с разновесом.

7. Мензурка.

Цель работы:

Научиться опытным путем определять удельную теплоту парообразования воды.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

В процессе обмена энергией, между веществом и окружающей средой возможен переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (из одного фазового состояния в другое).

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Парообразование происходит в виде испарения и кипения.

Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, называется испарением.

Испарение происходит при любой температуре жидкости, но с повышением температуры скорость испарения жидкости возрастает.

Испаряющаяся жидкость может охлаждаться, если к ней не подводится интенсивно теплота извне, или нагреваться, теплота извне подводится интенсивно.

Парообразование, которое происходит по всему объему жидкости и при постоянной температуре, называется кипением.

Температура кипения зависит от внешнего давления на поверхность жидкости.

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения данной жидкости.

При парообразовании внутренняя энергия вещества увеличивается, поэтому для превращения жидкости в пар к ней надо подводить теплоту в процессе теплообмена.

Количество теплоты , необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, называется теплотой парообразования.

Величина прямо пропорциональна массе жидкости, превращенной в пар:

(1)

Величина g, характеризующая зависимость теплоты парообразования от рода вещества и от внешних условий, называется удельной теплотой парообразования. Удельная теплота парообразования измеряется количеством теплоты, необходимым для превращения в пар единицы массы жидкости при неизменной температуре:

(2)

рис. 1

В СИ удельная теплота парообразования измеряется в .

Величина зависит от температуры, при которой происходит парообразование. Опыт показывает, что при повышении температуры удельная теплота парообразования уменьшается. На приведенном графике (рис. 1) показана зависимость от для воды.

В данной работе определяется удельная теплота парообразования воды с помощью процесса кипения, используя уравнение теплового баланса при конденсации водяного пара. Для этого берут калориметр (К) (см. рис. 2), в котором находится вода при температуре , водяной пар, имеющий температуру кипения , из колбы по паропроводу П вводится в холодную воду калориметра, где он конденсируется.

Через некоторое время трубку паропровода вынимают и измеряют температуру , установившуюся в калориметре и определяют массу введённого в калориметр пара.

рис. 2

Затем составляется уравнение теплового баланса.

При конденсации пара массой , выделяется теплота .

(3)

где - удельная теплота конденсации (она же удельная теплота парообразования). Сконденсировавшийся пар превращается в воду при температуре , которая затем, остывая до температуры , выделит теплоту .

(4)

Выделяемую при конденсации пара и охлаждения горячей воды теплоту получает калориметр и вода в нём. За счёт этого они нагреваются от температуры , до температуры . Теплота, полученная калориметром и холодной водой, в нём вычисляется по формуле:

(5)

Уравнение теплового баланса составляется в соответствии с законом сохранения энергии при теплообмене.

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:

(6)

В нашем случае для теплообмена, который произошёл в калориметре, считаем, что потерь тепла в окружающую среду нет. Поэтому уравнение (6) запишем в виде: или

Из этого уравнения получаем рабочую формулу для вычисления величины по результатам опыта:

(7)

_{2. ХОД РАБОТЫ.}

1. Составить таблицу, в которую будут заноситься результаты измерений и вычислений по форме, приведенной в конце описания.

2. Взвесить внутренний сосуд калориметра, полученное значение занести в таблицу.

3. С помощью мензурки отмерить 150 200 мл холодной воды налить её в калориметр и измерить массу внутреннего сосуда калориметра с водой (m₂). Найти массу воды:

m_в= m₂ – m_к

Массу холодной воды записать в таблицу.

4. Измерить начальную температуру калориметра и воды в нём Значение , записать в таблицу.

5. Опустить наконечник паропровода в воду калориметра и впускать пар до тех пор, пока температура воды не повысится на 30°К - 35°К (q-температура после теплообмена).

6. Взвесить внутренний стакан калориметра и определить массу сконденсированного пара. Полученный результат запишите в таблицу. ( )

7. Значения удельных теплоёмкостей воды и вещества калориметра (алюминия) и табличное значение удельной теплоты парообразования воды даны в таблице результатов измерений и вычислений.

8. По формуле (7) вычислить удельную теплоту парообразования воды.

9. Вычислить абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:[2]

;

10. Сделать вывод о проделанной работе и полученном результате удельной теплоты парообразования воды.[3]

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Калориметр	Холодная вода	Начальная температура калориметра и воды	Температура после теплообмена	Величины, характеризующие пар	Погрешность
Масса	Удельная теплоёмкость	Масса	Удельная теплоёмкость	Температура	Масса	Удельная. теплота парообразования	Абсолютная	Относительная
Получ.	Табличн.
кг		кг				К	кг				%
									2,26×106

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Каковы условия, при которых происходят фазовые переходы в веществе?

2. Что такое удельная теплота преобразования и от чего она зависит? В каких единицах измеряется эта величина?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ.

3. Как объяснить, что удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости?

4. Возможно ли, что удельная теплота парообразования уменьшится и станет равной нулю? При каких условиях это может быть?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

5. Почему в выполняемой работе удельная теплота парообразования воды определяется с помощью процесса кипения, хотя парообразование происходит при любой температуре?

6. Почему в данной работе принципиально невозможно получить точное значение удельной теплоты парообразования воды?

Лабораторная работа № 3.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Калориметр	Жидкость в калориметре	Начальная температура воды	Температура после теплообмена	Величины, характеризующие испытуемое тело	Погрешность
Масса	Удельная теплоёмкость	Масса	Удельная теплоёмкость	Темпе­ратура	Масса	Удельная теплоёмкость	Вещество	Абсо­лютная	Относи­тельная
кг		кг				К	кг			%

Приложение:

Удельные теплоемкости твердых тел

Вещество	,	Вещество	,
Алюминий		Парафин
Бетон		Песок
Дерево		Платина
Железо, сталь		Свинец
Золото		Серебро
Кирпич		Стекло
Латунь		Цемент
Лед		Цинк
Медь		Чугун
Нафталин		Сера
Олово

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО И ВТОРОГО УРОВНЯ.

1. Физический смысл понятия «теплопроводности».

2. Что называют удельной теплоемкостью вещества? Физический смысл единицы измерения удельной теплоемкости? Формула.

3. Понятия теплоемкости тела, молярной теплоемкости тела.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

4. Составить уравнение теплового баланса опыта. Объяснить.

Лабораторная работа № 4.

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом капель.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1.Бюретка с водой и глицерином на штативе

2.Стекло вогнутое для сбора капель

3.Технические весы.

4.Химический стакан.

Цель работы:

Определить коэффициент поверхностного натяжения для определенной жидкости.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Поверхностный слой жидкости обладает избыточной потенциальной энергией. Величина этой энергии , где - площадь поверхности жидкости, a -коэффициент поверхностного натяжения.

(1)

В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Дж/м либо Н/м. Коэффициент поверхностного натяжения можно определить опытным путем, зная, что , где - сила поверхностного натяжения, - длина границы поверхностного слоя, длина линии, которая ограничивает свободную поверхность жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить опытным путем. Если налить в бюретку воды и открыть кран так, чтобы из бюретки медленно капала вода, то можно заметить, что отрыв капель происходит по окружности шейки АВ. Следовательно, эта окружность в момент отрыва является длиной границы поверхностного слоя. Вдоль нее действует сила поверхностного натяжения F. Она направлена вверх. На каплю действует и сила тяжести, направленная вниз (рис. №1).

рис. 1

Капля отрывается, когда F_m станет больше силы поверхностного натяжения F_n. В момент отрыва можно считать F_m = F_n. Следовательно:

(2)

Линия, ограничивающая свободную поверхность жидкости - длина окружности шейки капли, т. е. , где - радиус трубки, он указан на бюретке.

Значит:

(3)

2. ХОД РАБОТЫ.

1. Взвесить вогнутое стекло с точность до 0,01 г ( ).
2. Поставить под бюретку стаканчик. Отрегулировать краном скорость падения капель, 30 - 40 капель в минуту.
3. Поставить под кран взвешенное стекло и отсчитать количество капель.
4. Взвесить стекло с водой . Вычислить массу капель

.

1. Определить массу одной капли .
2. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения по формуле (3), где g = 9,81 м/с².
3. Измерения проделать не менее 3-х раз.
4. Результаты записать в таблицу.
5. Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерений.[6]
6. Сделать вывод о проделанной работе.[7]

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

№№ п/п	Диаметр трубки	Масса стекла	Масса капель	Число капель	Масса капли	Коэффициент поверхностного натяжения	Погрешность измерений
	d		Dm	n	m					, %
	м	кг	кг		кг	Н/м	Н/м	Н/м	Н/м

s_вода = 0,072 Н/ м;

s_{глицерин} = 0,059 Н/ м.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Какими свойствами обладает поверхностный слой жидкости? Какова толщина этого слоя?

2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? Формула и единица. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО УРОВНЯ.

3. Как направлена сила поверхностного натяжения? От чего зависит эта сила, и по какой формуле ее определяют?

4. Что представляет собой энергия поверхностного слоя жидкости?

5. Физический смысл поверхностного натяжения как величины, связанной с энергией поверхностного слоя жидкости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

6. Как определить коэффициент поверхностного натяжения опытным путем?

Лабораторная работа № 5.

Определение электроемкости конденсатора.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

1.Набор конденсаторов известной емкости (эталоны).

2. Конденсаторы неизвестной емкости.

3. Микроамперметр.

4. Источник постоянного тока.

5. Переключатель и соединительные провода.

Цель работы:

Опытным путем определить емкость исследуемого конденсатора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Конденсатором называется прибор, служащий для накопления электрических зарядов и электрической энергии.

Конденсатор представляет собой два проводника расположенных как можно ближе друг к другу, а между ними располагается диэлектрик.

Два проводника, в которых накапливаются заряды, называются обкладками конденсатора (см. рис.1).

рис. 1

При сообщении обкладкам заряда и между обкладками создается напряжение U. Заряд q, сообщаемый обкладкам прямо пропорционален напряжению между обкладками конденсатора:

Величина С, называется электроемкостью конденсатора. Она не зависит от внешних условий, а определяется лишь формой и размерами конденсатора и родом диэлектрика между его обкладками.

Конденсаторы бывают постоянной и переменной емкостью. Диэлектрик увеличивает емкость конденсатора, не дает зарядам нейтрализоваться. Накопление заряда на обкладках конденсатора называется его зарядкой.

Нейтрализация зарядов конденсатора при соединении его обкладок проводником называется разрядкой конденсатора. Чтобы зарядить конденсатор нужно соединить его обкладки с двумя полюсами источника электрической энергии.

Если замкнуть ключ К (рис.2), то конденсатор зарядится. Для разрядки конденсатора надо его обкладки соединить проводником. Так при замыкании ключа К (рис.3), заряды с положительно заряженной обкладки будут переходить на отрицательно заряженную обкладку до полной нейтрализации заряда конденсатора. Миллиамперметр включенный в цепь покажет, что по проводникам пойдет кратковременный электрический ток разрядки конденсатора. Если заряжать конденсатор постоянной емкости от одного и того же источника постоянного тока, то стрелка миллиамперметра всякий раз будет отклоняться, по шкале на одно и то же число деление. Для конденсаторов другой емкости отклонение стрелки будет иным. Имея конденсаторы известной емкости (эталоны), можно на опыте убедиться, что емкость эталонного конденсатора прямо пропорциональна числу делений , на которое отклоняется стрелка миллиамперметра:

Отсюда легко определить коэффициент пропорциональности:

,

выражающий собой электроемкость, соответствующую одному делению. Зная коэффициент, можно по отклонению стрелки миллиамперметра определить емкость любого другого конденсатора, повторив с ним описанный опыт. Так, если при включении конденсатора неизвестной емкости С_х отклонение стрелки миллиамперметра составило делений то

C_x = K_ср× n_x

К

К

рис.2

2. ХОД РАБОТЫ.

1. Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.3, включив в нее источник постоянного тока, конденсатор известной емкости (эталонный конденсатор), миллиамперметр и однополюсной переключатель.

рис. 3

2. Зарядите конденсатор. Для этого соедините его на короткое время с источником тока. Переключатель К включается в положение 1. Затем, выждав 5-10 секунд и сосредоточив внимание на стрелке миллиамперметра, быстро переключите в положение 2 и зафиксируйте по шкале максимальное отклонение стрелки прибора, отсчитывая на глаз десятые доли деления.

3. Опыт повторите 3 раза.

4. Повторите все измерения по пункту 2 со вторым эталонным конденсатором.

5. По полученным 6-ти значениям К вычислите среднее значение коэффициента пропорциональности .

6. Все данные опытов, выполненные согласно п.п. 2 и 3 занесите в таблицу 1.

Таблица 1

№№ опытов	Емкость эталонного конденсатора.	Число делений по шкале миллиамперметра.	Коэффициент пропорциональности.	Среднее значение коэффициента пропорциональности
			К
мкФ	дел.	мкФ \дел.	мкФ\дел.

7. В цепь (см. рис.3) включите вместо эталонного конденсатора конденсатор неизвестной емкости.

8. Повторите 5 раз с неизвестным конденсатором опыт описаний в пункте 2. В каждом опыте фиксируйте число делений , на которые отклоняется стрелка миллиамперметра. В каждом случае определите емкость неизвестного конденсатора по формуле:

C_x = K_ср× n_x

9. Все результаты 5-ти опытов с неизвестным конденсатором занесите в таблицу 2. Вычислите среднее значение величины , а так же абсолютную и относительную погрешность опытов.[8]

10. Сделать вывод о проделанной работе[9].

Таблица 2.

№ № опытов	Число делений по шкале миллиамперметра	Величина емкости исследуемого конденсатора	Среднее значение емкости	Абсолютная погрешность	Относит Погрешности опытов
				D	D
дел.	мкФ	мкФ	мкФ	мкФ	%

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Что называется электрической емкостью проводника? Какая формула выражает сущность этого понятия?

2. Единица емкости в СИ. Как формулируют определение этой единицы?

3. От чего зависит электроемкость проводника?

4. Что называют конденсатором? Зарядом конденсатора? Емкостью конденсатора? По какой формуле вычисляют емкость конденсатора?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

5. Последовательное, параллельное, смешанное соединение конденсаторов (схема, формулы).

6. Энергия заряженного конденсатора (определение, формула).

Лабораторная работа № 6.

Лабораторная работа № 7.

Таблица результатов измерений и вычислений

Цена одного деления амперметра = ...

Цена одного деления вольтметра =...

№

Сила тока

Напряжение

Внутренние сопротивление

ЭДС источника

Дел

I

Дел

U

r

sr

E

sЕ

n

А

n

B

Ом

Ом

Ом

Ом

%

В

В

В

В

%

7. Вычислить погрешности с которыми определены внутреннее сопротивление и ЭДС источника электрической энергии, по формулам:[13]

; s_r = D r_ср/ r_ср × 100%

;

8. Значение погрешностей занести в таблицу и по результатам, полученным в лабораторной работе сделать вывод[14].

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРВОГО УРОВНЯ.

1. Закон Ома для всей цепи (формула и формулировка).

2.Закон Ома при параллельном, последовательном и смешанном соединении одинаковых источников электрической энергии (формулы, схемы).

3. Определение цены деления многопредельного прибора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.

4.Закон Ома для участка цепи с ЭДС (3 случая и общий закон) и для всей цепи при нескольких ЭДС.

5.Что называется ЭДС источника электрической энергии? Единицы ЭДС.

6. Понятие внутреннего сопротивления источника.

7.Измерительные приборы вольтметр и амперметр[15].
Лабораторная работа № 8.

Таблица результатов измерений и вычислений

№ изм.	С		a	aср	Da	Daср	%