Изотермическим называется процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре
Согласно закону Бойля-Мариотта произведение давления газа данной массы на его объём постоянно если температура не изменяется.
PV=const (1)
Или
P1 V1 = P2 V2 (2)
где V1 и V2 – объёмы занимаемые данной массой газа до и после сжатия, соответственно, а P1 и P2 - его давления.
Объектом изучения в данной работе является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. В исходном состоянии он имеет следующие параметры: давление равно атмосферному, объём равен объёму внутренней полости трубки, температура соответствует температуре воздуха в помещении.
Второе состояние получают путём сжатия, для этого кран на одном конце закрывают, а второй кран остаётся открытым. Конец трубки с открытым концом погружают в мерный цилиндр, который предварительно заполняют на 1/3 высоты водой комнатной температуры. Кран опускают до дна цилиндра. Через открытый кран в трубку поступает вода и сжимает воздух до тех пор, пока его давление не сравняется с внешним давлением, затем кран закрывают. Таким образом во втором состоянии параметры воздуха окажутся слледующими: объём воздуха равен объёму внутренней полости, за вычетом воды, вошедшей в трубку, а давление возрастает по сравнению с атмосферным на величину гидростатического давления столба воды в цилиндрею
Объём внутренней полости определяется произведением площади поперечного сечения трубки на её длину. Поскольку поперечное сечение трубки не изменяется, объём воздуха удобнее измерять в условных единицах. За условную единицу принимают единицу длины трубки.
Итак в исходном состоянии давление определяется по показаниям барометра-анероида, а объём измерительной лентой по длине полости.
Для измерения давления во втором состоянии измеряют разность между длиной столба воды в мерном цилиндре (H) и длиной воды в трубке (I). По формуле для расчёта гидростатического давления жидкости вычисляют давление столба воды (Рв):
Рв= рgh, (3)
где р -плотность воды (кг/м );
G-ускорение свободного падения ;
Порядок выполнения работы
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
2. Откройте оба крана в прозрачной трубке
3. Измерьтре длину воздушного столба в трубке (L1). L1=1985 мм
4. По барометру определите давление P1 , учитывая, что 1 мм. Рт. Ст.=133,33 Па.
5. Закройте один кран, а конец с открытым краном погрузите в мерный цилиндр с водой; высота уровня налитой воды 40-45 мм.
6. Погрузите руку в воду, после того как столб воды в трубке установится закройте кран и не вынимая руку из воды, определите высоту Н уровня воды в мерном цилиндре.
7. Выньте трубку и измерьте длину столба воды, вошедшей в трубку . Измерять от нижнего конца крана.
8. Измерьте длину от верхнего конца крана .
9. Вычислите разность между длиной столба воды в мерном цилиндре и трубке:
H=H-l
10. Вычислите длину воздушного столба в трубке после сжатия по формуле (5).
11. Определите гидростатическое давление воды по формуле (3).
12. Вычислите давление воздуха в трубке после сжатия по формуле (4).
13. Проверьте закон Бойля-Мариотта (1) м проведите опыт для проверки ещё два раза.
14. Сделайте выводы по результатам работы.
15. Долейте в мерный цилиндр воды до уровня 80-85 мм и проделайте п. 1-
Контрольные вопросы.
1. Укажите причиныц повлиявшие на точность результатов.
2. Почему процесс сжатия воздуха в данной работе можно считать изотермическим.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Примечание: Во всех работах данного цикла в качестве приборов применяется лабораторный комплекс ЛЭС-5М.
Лабораторная работа 21
Резонанс напряжений
Цель работы: Изучение явления резонанса напряжений.
Резонансные явления широко применяются в радиотехнике и электронике для выделения и усиления сигналов.
Резонанс напряжений возникает в цепи (контуре) последовательно соединенных 
, 
и 
, если индуктивное и емкостное сопротивление равны ( 
или 
). Добиться этого равенства можно изменением одной из трех величин 
, или при постоянстве двух других.
В данной работе резонанса добиваются изменением емкости батареи конденсаторов при постоянных индуктивности (N = 2400 витков) и частоте = 50 Гц.
По закону Ома:
.
Если 
, то 
При неизменном значении активного сопротивления и неизменном входном напряжении 
ток при резонансе достигает максимальной величины:
Напряжение на катушке индуктивности равно 
, а на емкости - 
. Если 
, то величиной 
можно пренебречь и 
.
При возникновении резонанса 
и 
. Если 
, то 
и 
.
Напряжения на реактивных сопротивлениях могут быть значительно больше входного напряжения, т.е. наблюдается выигрыш в напряжении. Такое соотношение часто имеет место в радиотехнических колебательных контурах.
, где 
называется добротностью контура.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь и предъявить для проверки.
R2
 |
mA
 |
оRk
~ 42 B, f=50 Гц L, xL
о
С, хС V
2. Изменяя емкость батареи конденсаторов, настроить цепь в резонанс напряжений. Измерить все напряжения и ток. Результаты записать в таблицу.
3. Увеличить емкость по сравнению с резонансной, измерить все напряжения и ток. Результаты записать в таблицу.
4. Уменьшить емкость по сравнению с резонансной, измерить все напряжения и ток. Результаты записать в таблицу.
5. Вычислить емкостное и индуктивное сопротивление по формулам 
; 
. Результаты записать в таблицу.
6. По полученным результатам построить график 
.
7. Сделать вывод о проделанной работе.
Лабораторная работа 22
Резонанс токов
Цель работы: Исследование явления резонанса токов
Резонансом токов называют режим работы разветвленной электрической цепи, содержащей ветви с индуктивностью и емкостью, при котором ток в неразветвленной цепи ( 
) совпадает по фазе с напряжением источника и достигает минимального значения.
Условием для получения режима резонанса токов является равенство индуктивного 
и емкостного 
сопротивлений:
, где - частота.
Следовательно, резонанс токов может быть получен изменением одной из трех величин , и при постоянстве двух других.
В данной работе резонанса добиваются изменением емкости батареи конденсаторов при постоянной индуктивности ( = 0,5 Гн, N = 2400 витков) и частоте = 50 Гц.
По 1-ому закону Кирхгофа в векторной форме
(1)
Ток 
отстает от входного напряжения 
на угол 
, а ток 
опережает входное напряжение на угол 90°. Построим (рис.2) векторную диаграмму токов согласно уравнению (1).
Если пренебречь сопротивлением 
при выполнении условия резонанса , получим: 
Ток будет совпадать по фазе с напряжением источника, а величина его будет минимальной (см. рис.3).
содержание РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь (рис. 4) и предъявить для проверки преподавателю.
2. Включить цепь. Изменяя емкость батареи конденсаторов, настроить цепь в резонанс токов (ток минимален). Измерить все токи. Результаты записать в таблицу.
3. Уменьшая емкость (2-3 раза) по сравнению с резонансной, измерить все токи. Результаты записать в таблицу.
4. з Увеличивая емкость (2-3 раза) по сравнению с резонансной, измерить все токи. Результаты записать в таблицу..
5. Вычислить емкостное, индуктивное и общее сопротивления.
6. По полученным результатам построить график .
7. Сделать вывод о проделанной работе.
ТАБЛИЦА
| ИЗМЕРИТЬ | ВЫЧИСЛИТЬ | |||||||||
| №№ | U | C | I | Ik | IC | Zоб | XL | XC | ||
Лабораторная работа №7
Катушка индуктивности
Цель работы: Измерить параметры катушки индуктивности (активное сопротивление R и индуктивность L)
Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ЭТ1.
Порядок выполнения
1. Собрать схему, используя катушку, которая размещена на стэнде.
A
o +
U1 V L1, Rk1, N1
o -
 |
2. Измерить зависимость тока от напряжения, измеряя напряжения U1 в диапазоне 0…15 в (напряжение постоянное). Используя результаты измерений, определить активное сопротивление Rk.
(Rk = U/I) .Результаты записать в таблицу № 1.
ТАБЛИЦА №1
| ИЗМЕРИТЬ | ВЫЧИСЛИТЬ | ||
| №№ | U1 | I | Rk |
3. Вместо напряжения U1 подать переменное напряжение15 В,частотой f=50 Гц. Используя результаты измерений, определить индуктивность L. Результаты записать в таблицу № 2.
; 
ТАБЛИЦА № 2
| ИЗМЕРИТЬ | ВЫЧИСЛИТЬ | |||||
| №№ | U | I | Zk | XL | L | |
Вопросы для проверки:
1. Что называют индуктивностью?
2. Пояснить сущность физических процессов протекающих в катушке.
3. Поясните содержание работы, обоснуёте дествия, которые предстоит делать в работе.
Лабораторная работа №24
Законы Кирхгофа
Цель работы: Экспериментальная проверка 1,2 –го. Законов Кирхгофа.
Оборудование: Модульный учебный комплекс ЛЭС-5.
Краткая теория
Токи и напряжения любой цепи полностью определяется первым и вторым законами Кирхгофа.
1-ый закон Кирхгофа применяется к узлам электрических цепей и записывается, как:
, что означает, что:
«Алгебраическая сумма токов в любом узле равна нулю»
или
«Сумма токов, приходящих к узловой точке, равна сумме токов, уходящих от нее».
2-ой закон Кирхгофа применяется к контурам электрических цепей и записывается, как:
, что означает, что:
«Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях».
Раскрытие алгебраических сумм ЭДС и падений напряжений следует производить в соответствии с правилами знаков:
1. Произвольно выбирается направление обхода по контуру.
2. Если направление ЭДС совпадает с условно выбранным направлением обхода по контуру, то ЭДС берут со знаком «плюс», а, если нет, то со знаком «минус».
3. Если направление тока на участке цепи совпадает с выбранным направлением обхода по контуру, то падение напряжений на этом участке берут со знаком «плюс», а, если нет, то со знаком «минус».
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь и предъявить для проверки.
2. Выключатели Вк1 и Вк2 разомкнуты. Измерить ЭДС источников Е1, Е2 и Е3.
3. Замкнуть выключатели Вк1 и Вк2. Измерить падения напряжения на источниках Uи1, Uи2, Uи3., на резисторах UR2, UR3, UR5, а также токи I1, I2, I3. Результаты записать в таблицу.
ТАБЛИЦА
| ИЗМЕРИТЬ | ВЫЧИСЛИТЬ | ||||||||||||||
| E1 | E2 | E3 | Uи1 | Uи2 | Uи3 | UR2 | UR3 | UR5 | I1 | I2 | I3 | r01 | r02 | r03 | |
4. Вычислить внутреннее сопротивление источников
Un = E – Ir0 Þ r0 = (E - Un) / I
5. Проверить 1-ый закон Кирхгофа.
6. Проверить 2-ой закон Кирхгофа для всех контуров ABCDA, ADEFA, AВCDEFA.
7. Сделать вывод о проделанной работе.
Лабораторная работа 25