Вимірювання коефіцієнта лінійного розширення металу

Мета роботи: визначити опір не нагрітого і нагрітого металевого дроту, та його видовження при нагріванні та коефіцієнт лінійного видовження.

Прилади і обладнання: ніхромовий дріт (Nх 90 %, Сг 10 %), джерело постійного струму, вольтметр, амперметр, пружина, шкала для вимірювання довжини дроту.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ДАНІ

Дослід показує, що з підвищенням температури відбувається розширення твердих тіл, і це явище має назву теплового розширення або видовження. Для характеристики цього явища використовуються коефіцієнти лінійного та об'ємного розширення. Нехай l₀ – довжина тіла при температурі 0°С. Видовження цього тіла l при нагріванні, його до температури t⁰С пропорційне початковій довжині l₀ і температурі.

,

де – коефіцієнт лінійного видовження, що характеризує відносне видовження , яке відбувається при нагріванні тіла на 1 K. Звідки довжина тіла при температурі t°С.

(1)

Теплове видовження більшості твердих тіл дуже незначне, тому довжина l₀ при 0°С майже не відрізняється від довжини l при іншій температурі, наприклад кімнатній. Тому в формулі коефіцієнта лінійного розширенні (1) величину l₀ можна замінити на l₁ , а величину 1 на довжину 1₂ при температурі, яка значно більша ніж t₁.

(2)

Причиною видовження твердих тіл при нагріванні є збільшення амплітуди теплових коливань атомів. До поняття про коливання атомів твердого тіла можна дійти шляхом аналізу природи міжатомних сил. Положення рівноваги атомів визначається з умови рівності сил притягання і відштовхування, діючих на атом.

В рівновазі потенціальна енергія твердого тіла повинна бути мінімальна. На рис. 5 показана залежність потенціальної енергії взаємодії сусідніх атомів. При більших міжатомних відстанях (тобто при більшому об’ємі, в якому знаходяться атоми) потенціальна енергія умовно приймається рівною нулю, оскільки за цих умов атоми не взаємодіють один з одним. В міру зменшення відстані між атомами потенціальна енергія зменшується. Таке зменшення цілком очевидне, так як тверді тіла існують і за відсутності зовнішніх стискаючих сил, і такому стану повинен відповідати мінімум потенціальної енергії. При досягненні деякої відстані r₀ потенціальна енергія швидко зростає із зменшенням r, що пов’язано з наявністю короткодіючих сил відштовхування.

Зміна розмірів твердих тіл пов’язана з відмінністю в законі сил притягання і відштовхування при зміщенні атомів з положення рівноваги. Крива потенціальної енергії має асиметричний вигляд, відносно вертикальної лінії, що проходить через положення рівноваги. При зближенні атомів енергія сил відштовхування звичайно зростає швидше, ніж енергія сил притягання за відповідного зміщення атомів. Із збільшенням амплітуди теплових коливань атомів в кристалі мінімальна відстань змінюється мало, а максимальна може досить сильно збільшитися. Таким чином при нагріванні відбувається збільшення середньої відстані між атомами, тобто розширення тіла.

Метод вимірювання і опис установки

Схема лабораторної установки наведена на рис. 6.

Ніхромовий дріт 1 закріплено між клемами 2,3, причому клема 3 з'єднана з розтягуючою пружиною 4. По дроту проходить постійний струм. Сила струму І вимірюється амперметром А, а напруга U –вольтметром.

Рис.6

Лабораторна установка та методика вимірювання.

Проходження струму через провідник, якщо він не перебуває в стані надпровідності, супроводжується його нагріванням. Це пояснюється тим, що електричні заряди, рухаючись напрямлено, зазнають опору в середовищі провідника. Цей висновок називається законом Джоуля-Ленца кількість теплоти , що виділяється на певній ділянці провідника, прямо пропорційна силі струму І, що проходить через провідник, напрузі на його кінцях U і часу t проходження струму:

, (3)

де t – час проходження струму, І – сила струму, U – напруга, R – опір.

Якщо силу струму взято в амперах, напругу у вольтах, а час в секундах, то кількість теплоти, що виділяється, виражається у джоулях. Дріт нагрівається, опір металу збільшується зі збільшенням температури за законом

, (4)

де R₁ – опір дроту при кімнатній температурі t₁ °С,

R₂ – опір дроту при нагріванні його до температури t₂ °С

1/К – температурний коефіцієнт, опору ніхромового проводу.

З співвідношення (4) можна визначити різницю температур

(5)

якщо відомі величини опорів R₁ та R₂ .

Опір R₁ визначається по формулі

, (6)

де l₁=0,35 м – довжина проводу при кімнатній температурі.

Ом´м – питомий опір ніхрому при t^o=20^o C

d = 0,4 мм – її діаметр.

Опір проводу R₂ при температурі t₂визначається згідно закону Ома для ділянки кола

(7)

Видовження проводу , при нагріванні вимірюється по шкалі 5.

2. ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

1. Ввімкнути джерело струму. Зачекати 20 – 30 с. Поки дріт нагрівається до максимальної температури і настане стан теплової рівноваги. Виміряти силу струму, напругу і видовження проводу Δl.

2. Виміряти температуру повітря t₁ в лабораторії.

3. По формулі (6) обчислити опір проводу R₁ при температурі t₁.

4. Для значень I та U визначити опір проводу R₂ при температурі t₂, використовуючи закон Ома (7).

5. Використовуючи співвідношення (5), обчислити різницю температур t₂-t₁. Знайти температуру нагрітого дроту t₂.

6. За формулою визначити коефіцієнт лінійного розширення ά для ніхромового дроту

7. Порівняти кінцевий результат з табличним значенням.

8. Оформити звіт, обчислення занести у таблицю:

I, А	U, В	l1, мм	l2, мм	Δl, мм	R1, Ом	R2, Ом	Δt, С0	, град-1

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Дайте визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл?

2. Поясніть причину теплового розширення твердих тіл.

3. Як визначається опір проводу R₁ при кімнатній температурі t₁та опір нагрітого проводу R₂?

4. Чому при проходженні струму по металевому провіднику він нагрівається?

5. Як змінюється опір провідника при зміні температури ?

6. Як визначається в роботі температура нагрітого проводу ?

7. Як можна визначити кількість теплоти, що виділяється в провіднику при проходженні струму?

Тестові питання для захисту лабораторної роботи:

1. Як визначається коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл?

а)

б)

в)

2.Чому дорівнює абсолютне видовження дроту?

а)

б)

в)

3.Від чого залежить опір провідника?

а) U, S, ;

б) I, l, ;

в) S, l, .

4.Як змінюється опір провідника при зміні температури?

а) не змінюється;

б) збільшується зі збільшенням температури;

в) збільшується зі зменшенням температури.

5.Яка причина теплового розширення металу?

а) збільшується розмір молекул;

б) збільшується кількість зіткнень між молекулами;

в) зростає амплітуда коливань йонів у кристалічній гратці.

6.Як можна визначити кількість теплоти, що виділяється в провіднику при проходженні струму?

а)

б)

в) .

7.Яка причина виникнення опору в провіднику?

а) тепловий рух частинок;

б) тепловий рух частинок та взаємодія електронів з іонами кристалічної гратки;

в) взаємодія електронів з іонами кристалічних ґраток.

8.Як в лабораторній роботі визначається опір дроту R₁ при кімнатній температурі та опір нагрітого дроту R₂?

а)

б)

в)

9.Як в лабораторній роботі визначається температура нагрітого дроту?

а) ;

б) ;

в) .

10. Чому при проходженні струму провідник нагрівається?

а) тепловий рух частинок та взаємодія електронів з іонами кристалічних ґраток;

б) тепловий рух частинок;

в) взаємодія електронів з іонами кристалічних ґраток.

Обсяг робіт з молекулярної фізики та термодинаміки та рейтингова оцінка знань спеціальність „Агрономія"

Модулі	№ п\п	Назва роботи	тиждень	Кількість балів за виконану роботу
Молеку-лярна фізика та термоди-наміка. Газові закони (3)	1.	Л.Р. Визначення коефіцієнта в'язкості методом Стокса		2,5
2.	Л.Р. Визначення вологості атмосферного повітря		2,5
3.	Л.Р. Визначення відношень молярних теплоємностей повітря при адіабатичному розширенні		2,5
4.	Захист лабораторних робіт
5.	Тестування модуль 3
Всього балів за модуль 3		11,5

Обсяг робіт з молекулярної фізики та термодинаміки та рейтингова оцінка знань спеціальність „Технологія виробництва і переробки продукції тваринництва"

Модулі	№ п\п	Назва роботи	тиждень	Кількість балів за виконану роботу
Молеку-лярна фізика та термоди-наміка. Газові закони (3)		Л.Р. Визначення коефіцієнта в'язкості методом Стокса			2,5
	Л.Р.Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву краплі			2,5
	Л.Р. Визначення вологості атмосферного повітря			2,5
	Л.Р. Визначення відношень молярних теплоємностей повітря при адіабатичному розширенні			2,5
	Л.Р.Визначення коефіцієнта лінійного розширення металу			2,5
	Захист лабораторних робіт
	Контрольна робота Модуль 2			3,5
	Контрольна робота Модуль 3			3,5
Всього балів за модуль 3			19,5

Обсяг робіт з дисципліни „Фізика" та рейтингова оцінка знань спеціальність „Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва"

Модулі	№ п\п	Назва роботи	тиждень	Кількість балів за виконану роботу
I семестр
Молекулярна фізика та термодинаміка Газові закони (3)		Л.Р. Визначення коефіцієнта в'язкості методом Стокса
	Л.Р. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву краплі
	Л.Р. Визначення вологості атмосферного повітря
	Л.Р. Визначення відношень молярних теплоємностей повітря при адіабатичному розширенні
	Л.Р.Визначення коефіцієнта лінійного розширення металу
	Захист лабораторних робіт
	Захист лабораторних робіт
	Тестування модуль 3
Всього балів за модуль 3

Обсяг робіт з дисципліни „Фізика" та рейтингова оцінка знань спеціальність „Професійна освіта"

Модулі	№ п\п	Назва роботи	тиждень	Кількість балів за виконану роботу
I семестр
Молекулярна фізика та термодинаміка. Газові закони (3)		Л.Р. Визначення коефіцієнта в'язкості методом Стокса			6,5
	Л.Р. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву краплі			6,5
	Л.Р. Визначення вологості атмосферного повітря			6,5
	Л.Р. Визначення відношень молярних теплоємностей повітря при адіабатичному розширенні			6,5
	Л.Р.Визначення коефіцієнта лінійного розширення металу
	Захист лабораторних робіт
	Захист лабораторних робіт
	Тестування модуль 3
Всього балів за модуль 3

Обсяг робіт з дисципліни „Фізика" та рейтингова оцінка знань напрям підготовки 6.100101 “Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі“

Модулі	№ п\п	Назва роботи	тиждень	Кількість балів за виконану роботу
ІI семестр
			2,5
Молекулярна фізика та термодинаміка. Газові закони (3)		Л.Р. Визначення коефіцієнта в'язкості методом Стокса			2,5
	Л.Р. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву краплі			2,5
	Захист лабораторних робіт
	Л.Р. Визначення вологості атмосферного повітря			2,5
	Л.Р. Визначення відношень молярних теплоємностей повітря при адіабатичному розширенні			2,5
	Л.Р.Визначення коефіцієнта лінійного розширення металу			2,5
	Захист лабораторних робіт
	Контрольна робота
	Тестування “Молекулярна фіз.”
Всього балів за модуль 3			18,5

Л І Т Е Р А Т У Р А

1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Загальна курс фізика.. Київ Техніка.1999. т.1.

2. Грабовський Р.І. Курс фізики. – “Вища школа”, М., 1980.

3. Трофімова Т.І. Курс фізики. – “Вища школа”, М., 1985.

4. Детлаф А.А., Яворський Б.М., Милковська Л.Б. Курс фізики. – “Вища школа”, 1973 -1979.Т 1,2,3.

5. Дущенко В. П. " Загальна фізика". Вища школа, 1993.

6. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. –М. Наука, 1972 – 1974. Т 1,2,3.

7. Савєльєв І.В. Курс загальної фізики,. – М.: Наука, 1972 - 1974.

8. Яворський Б.М. "Основа фізики", т. І - 3-є вид., М., Наука, 1981.

9. Чолпан П.П. «Фізика», Київ «Вища школа», 2003.

10. Г. И. Епифанов. Физика твёрдого тела. М. Высшая школа. 1977.

11. Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. М. Физматгиз 1963.

12. І.Є. Лопатинський, І.Р. Зачек, Г.А. Ільчук, Б.М. Романишин Фізика. Львів: Афіша, 2005.

13. Посудін Ю. І. Фізика Підручник. Біла Церква: Видавництво Білоцерківського національного аграрного університету.