13405

Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Молекулярна фізика і термодинаміка (10 клас)

Лабораторная работа

Физика

Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Молекулярна фізика і термодинаміка 10 клас 1. Модель Штерна для визначення швидкості руху молекул газу Обладнання: обертальний диск демонстраційний метр сірники пластилін кінопроектор. ...

Украинкский

2013-05-11

938.5 KB

7 чел.

Тема: Методика і техніка шкільного демонстраційного експерименту із розділу Молекулярна фізика і термодинаміка (10 клас)

1. Модель Штерна для визначення швидкості руху молекул газу

Обладнання: обертальний диск, демонстраційний метр, сірники, пластилін, кінопроектор.

Перше експериментальне визначення швидкостей молекул здійснив у 1920 році О. Штерн. Прилад, використаний для цього складався з двох коаксіальних циліндрів (див. рис.1). По осі приладу натягнуто посріблену платинову дротину

1 — посріблена платинова дротина;

2 — повздовжня щілина, крізь яку вилітає пучок атомів срібла;

3 — пластинка, на якій осідають атоми срібла; —положения полосок на які осідають атоми срібла при нерухомому і рухомому приладу відповідно. 

Рис.1.

що нагрівається електричним струмом. При цьому з її поверхні випаровуються атоми срібла. Швидкості атомів, що випаровуються, відповідають температурі дротини. У внутрішньому циліндрі зроблено повздовжню щілину, крізь яку пучок атомів срібла вилітає до зовнішнього циліндра, на якому залишає слід у вигляді смуги атомів, що осядуть, і яка розташована проти щілини у разі нерухомих циліндрів. Якщо обидва циліндри обертаються з кутовою швидкістю ω навколо їхньої спільної осі, перпендикулярної до напрямку молекулярного пучка, то срібна пляма на зовнішньому циліндрі зміститься, на деяку відстань S.

Таким чином, вимірявши радіуси R і r зовнішнього і внутрішнього циліндрів відповідно, зміщення плями S і кутову швидкість обертання приладу ω, можна визначити середню швидкість атомів :

В одному із отворів диска, виставленого по рівню, закріплюємо трубку із жолобом для запуску кульки таким чином, щоб кінець жолоба співпав з віссю обертання диска. Потім ліпимо з пластиліну  вузьку смужку і прикріплюємо її по краю диска навпроти жолоба. Вздовж смужки вставляємо ряд сірників так, щоб відстань між ними була трошки менша за діаметр кульки.

  1.  Кульку пускаємо із центру нерухомого диска і відмічаємо місце, куди вона попала на бар’єрі.
  2.  Диск доводимо до рівномірного обертання, і знову пускаємо кульку. Зупиняємо диск і відмічаємо місце, куди вона попала на бар'єрі.
  3.  Робимо висновки.

2. Статистична закономірність  розподілу

Обладнання: дошка Гальтона, маленькі стальні кульки, свинцевий дріб або горох у стакані.

 Розподіл молекул за швидкостями. Молекули газу рухаються з різними швидкостями. При цьому величини і напрямки  швидкостей кожної молекули безперервно змінюються через зіткнення.

Розподіл молекул за швидкостями зображено на рис. 2.

Закон розподілу Максвела можна записати так:

де  загальне число молекул у заданій масі газу;  число молекул, швидкості яких лежать від  до найімовірніша швидкість.

Розрізняють наступні швидкості, які характеризують газ при певній температурі:

  1.  найімовірніша швидкість , яка відповідає максимуму функції

  2.  середня квадратична швидкість
  3.  середня арифметична швидкість

Наочною механічною моделлю статистичної закономірності розподілу може бути дослід із дошкою Гальтона.

Із гладкої рівної фанери потрібно виготовити відкриту коробку розміром не менше 3040 см і глибиною біля 2 см. Дно всередині коробки покриваємо білою фарбою або обклеюємо білим папером. Знизу коробки робимо із картону або іншого матеріалу 11 – 13 однакових відсіків прямокутної форми. Висота відсіків повинна бути приблизно   частини висоти коробки. В іншу частину дна коробки щільно вколюємо у шахматному порядку біля 100 товстих булавок або стільки ж невеликих тонких цвяхів.

У верхній планці потрібно зробити отвір, в який потрібно вставити скляну воронку або картонний схил для малих стальних кульок, дробу або гороху. А внизу коробки потрібно зробити другий отвір, який дає можливість швидко висипати кульки для повторення досліду. Після цього коробку щільно закриваємо кришкою із прозорого матеріалу, щоб добре було видно всі відсіки і падаючі в них кульки.

  1.  У воронку вертикально розташованого пристрою спочатку по черзі опускаємо  декілька кульок і спостерігаємо як падаючи, вони стикаються із багатьма цвяхами і зовсім випадково попадають в той чи інший відсік.
  2.  Висипаємо у воронку пригоршню однакових кульок і спостерігаємо за їхнім взаємним розміщенням у відсіках.
  3.  Помічаємо отримане розміщення і, повторюємо дослід знову,  попередньо висипавши з пристрою кульки, спостерігаємо, що картина розподілу залишається попередньою.
  4.  Робимо висновки.

3. Будова і принцип дії психрометра

  Обладнання: психрометр.

 Абсолютна вологість повітря характеризується густиною водяної пари , що є за даних умов у повітрі, або її парціальним тиском p і відповідно вимірюється у  або у мм. рт. стовпа чи паскалях.

 Відносною вологістю повітря називають виражене у відсотках відношення густини водяної пари , що знаходиться за даних умов у повітрі, до густини насиченої водяної  пари при тій самій температурі :

                   а                                                                 б

Рис. 3.

Щоб визначити вологість, користуються психрометром (див. рис. 3,а). Він складається з однакових термометрів А і Б; резервуар одного з них обгорнутий марлею, кінець якої опущений у посудину з водою. Вода піднімається по тканині і, випаровуючись, охолоджує поверхню резервуара термометра. Показання вологого термометра знижується порівняно з показаннями сухого. За різницею показань вологого і сухого термометрів (див. рис 1.б) можна обчислити відносну вологість повітря.

Принцип дії: пристрій підвішують в тому місці, де є потік повітря (на протязі). Потрібно слідкувати, щоб вода змочувала марлю, яка охоплює кульку термометра.

  1.  Знявши покази сухого і вологого термометра визначаємо відносну вологість повітря у аудиторії.
  2.  Робимо висновки.

4. Критичний стан ефіру

Обладнання: 1) проекційний апарат, 2) прилад для демонстрації критичного стану ефіру, 3) газовий пальник.

Пристрій приладу Авенаріус для демонстрації критичного стану ефіру зрозуміло з рис. 4. Основною деталлю приладу служить ампула з такою кількістю ефіру, щоб при нагріванні до критичної температури тиск в ній також став критичним.

Перед дослідом зазвичай закріплюють прилад в універсальному штативі і розташовують між конденсором і об'єктивом проекційного апарата. Однак краще мати спеціально пристосований саморобний столик і збирати установку, як показано на рис. 5. У цьому випадку вдається уникнути зайвої громіздкості і оберегти від полум'я пальника скла приладу і конденсор.

Рис. 4.     Рис. 5.

1 - жерстяна камера; 2 - ампула з

ефіром; 3 – скоба для закріплення

пристрою.

За допомогою об'єктива з оборотної призмою проектують ампулу на екран, щоб було чітко видно меніск ефіру, запалюють газовий пальник і ведуть спостереження.

У міру нагрівання приладу стає помітним невеликий підйом меніска, деяке розширення світлої смуги над ефіром і значне «просвітлення» нижньої частини ампули, зайнятої ефіром. Це пояснюється тим, що щільність парів збільшується, а густина рідини зменшується. В результаті зменшується поверхневий натяг ефіру, помітно вирівнюється кривизна меніска (рис. 6, а, б).

Далі меніск, пройшовши плоский стан, піднімається приблизно до половини ампули, стає розпливчастим (рис. 6, в) і, нарешті, зовсім зникає. При критичній температурі (193,8°С) і вище вся ампула виявляється заповненою однорідним речовиною (рис. 6, г).

Рис. 6.     Рис. 7.

Після цього припиняють нагрівання і спостерігають на екрані зворотний процес. Дають можливість приладу поступово охолоджуватися і звертають увагу на те, як в ампулі з'являються і стають добре помітними численні, звивини - результат наявності ділянок речовин різної щільності. В цей час температура близька до критичної і треба бути особливо уважним, щоб не пропустити момент переходу.

При критичній температурі ефір стає перенасиченою парою і, як тільки в ньому виникнуть центри конденсації, вся ампула раптово заповнюється туманом (рис.7, а). Потім вона швидко стає знову прозорою і на екрані з'являється рідина з різко вираженим меніском (рис.7, б, в). На цьому дослід закінчується.

5. Капілярні явища

Обладнання: проекційний апарат, капіляри, підкрашена вода та інші речовини.

 Рівнодійна усіх сил, які діють на молекулу, що знаходиться у поверхневому шарі рідини, зумовлює появу сил поверхневого натягу, так що тонкий поверхневий шар подібний до розтягнутої пружної плівки.

 Сила поверхневого натягу – це сила, що діє на будь-який елемент довільного контуру, проведеного на поверхні рідини, у перпендикулярному до нього напрямі вздовж дотичної до цієї поверхні.

 Коефіцієнтом поверхневого натягу рідини (), або просто поверхневим натягом, називають відношення модуля сили поверхневого натягу () до довжини елемента лінії на поверхні рідини (), до якого ця сила прикладена:

Рис. 8.

Якщо в середньому модуль сили притягання між молекулами рідини менший за модуль сили притягання між молекулами рідини і твердого тіла , то поверхня цього тіла змочується даною рідиною, крайовий кут  (див рис. 8,а), рідина піднімається в капілярі на деяку висоту  відносно її рівня в широкій посудині; у випадку повного змочування

Аналогічно при незмочуванні крайовий кут рідина опускається в капілярі на глибину   (див. рис. 8,б); при повному незмочуванні

Висоту піднімання (опускання) рідини в капілярі можна розрахувати за формулою:

де - густина рідини;  радіус капіляра;  прискорення вільного падіння

Для цього досліду найчастіше використовують капіляри промислового виробництва із трьох трубок на підставці для зберігання. В капіляри наливаємо підкрашену воду, поміщаємо їх разом із підставкою на підйомний столик перед конденсором проекційного апарата і проектуємо  на екран.

  1.  Демонструємо вгнутий меніск і залежність висоти підняття  рідини від радіуса капіляра.
  2.  Демонструємо опуклий меніск і залежність висоти опускання рідини  від радіуса капіляра.
  3.  Робимо висновки.

6. Кристалічна будова речовини

Обладнання: 1) модель просторової решітки кристала хлористого натрію, 2) епідіаскоп.

Познайомити учнів з особливостями будови кристалічних тіл можна на моделі просторової решітки кристала кухонної солі (NaCl). Така модель розміром 20 X 20 X 20 см, що складається з тонких металевих стержнів, темних і світлих кульок, випускалася Главучтехпромом в розібраному вигляді.

Для демонстрації збирають модель і розташовують її прямо на столі або попередньо встановлюють на підставку, як показано на рис. 9. Звертають увагу, що кульки одного кольору імітують собою іони натрію, а іншого - іони хлору.

Кожен іон з кристалі здійснює тепловий коливальний рух близько деякого середнього положення - вузла. Якщо з'єднати ці вузли прямими лініями, то утворюється просторова решітка, аналогічна представленій моделі.

Рис. 9.

Йони (чорні і білі кульки) чергуються між собою, вони розташовані на однакових відстанях один від одного по трьох взаємно перпендикулярних напрямках і утворюють в просторі правильну кубічну форму.

Кожен з іонів натрію оточений шістьма іонами хлору, і, навпаки, кожен іон хлору - шістьма іонами натрію.

Якщо з тієї чи іншої грані решітки вибрати один з вертикальних або горизонтальних напрямків, то можна помітити, що в цих напрямках завжди будуть чергуватися білі і чорні кульки - іони натрію і хлору. Якщо ж провести пряму лінію по діагоналі, на ній виявляться тільки білі або тільки чорні кульки, тобто іони тільки одного елемента. Вже це спостереження може служити підставою для пояснення явища анізотропії, властивій різним кристалічним тілам.

Корисно звернути увагу учнів на те, що розміри іонів в гратках неоднакові: радіус іона натрію приблизно в 2 рази більший радіуса іона хлору. Якщо ті й інші іони кухонної солі зобразити в масштабі та представити у вигляді дотичних між собою куль (чорні - натрій, білі - хлор), то при такій щільній упаковці гратки будуть мати вигляд, представлений на рис. 10.

Рис. 10.

Цей рисунок слід показати учням, звернувши увагу на певну закономірність розташування іонів: таке розташування обумовлюється найбільш стійкою рівновагою кристалічної решітки, тобто мінімумом її потенційної енергії.

7. Види пружних деформацій

Обладнання: прилад для демонстрації пружних деформацій.

Деформацією тіла називають зміну його форми чи розмірів під впливом різних чинників (зовнішніх сил, зміни температури тощо).

 

                      а                           б               в                      г                         д

Рис.11.

Деформація називається пружною, якщо після зняття навантаження повністю відновлюються розміри і форми тіла. В інших випадках деформація називається пластичною.

 Основними видами деформації є: зсув, розтяг, стискання, згин, кручення (див рис.11)

Деформація зсуву – деформація, при якій всі плоскі шари твердого тіла, паралельні деякій площині (площині зсуву), не змінюючи своєї форми зміщуються паралельно один до одного.

Деформація розтягу (стискання) – деформація, при якій об’єм тіла  збільшується (зменшується) без зміни його форми під дією рівномірно  розподілених по всій поверхні тіла розтягуючи (стискаючих) сил. 

Деформація згину - деформація, що полягає у викривленні осі чи зміні  кривини осі тіла в результаті виникнення моментів згину у перерізах  тіла  від прикладених навантажень.

Деформація кручення - вид деформації у вигляді повороту поперечних  перерізів стрижня навколо його осі на деякий кут під дією у цих же  перерізах крутильного моменту

Для невеликих лінійних деформацій розтягу і стискання справджується закон Гука: сила пружності, що виникає під час невеликої лінійної деформації тіла, прямо пропорційна величині абсолютної деформації і направлена у протилежний бік до напряму зміщень частинок тіла,викликаних цієї деформацією.

Якщо зміщення крайніх точок, наприклад, закріпленого стержня дорівнює , то закон Гука можна записати так:

де k - жорсткість пружини, х - абсолютна деформація тіла: х = .

Якщо ввести поняття механічної напруги , то закон Гука можна записати так:

  1.  За допомогою демонстраційного приладу демонструємо деформацію розтягу, стискання.
  2.  За допомогою демонстраційного приладу демонструємо деформацію зсуву, згину.
  3.  За допомогою демонстраційного приладу демонструємо деформацію кручення.

8. Закон Бойля-Маріотта

Обладнання: циліндр змінного об’єму, демонстраційний манометр, резинова т рубка.

 Якщо в рівнянні стану вважати  const, права частина рівняння буде величиною сталою:

=

Дана формула виражає закон Бойля-Маріотта: при ізотермічному процесі в ідеальному газі незмінної маси (кількості речовини) добуток  тиску газу на його об’єм є величиною сталою.

Цей закон стверджує, що при  і T = const тиск ідеального газу змінюється обернено пропорційно до його об’єму:

Слід зазначити що ідеальний газ – це спрощена модель реального газу, в рамках якої:

  1.  розмірами молекул газу можна знехтувати і прийняти їх за матеріальні точки;
  2.  взаємодією між окремими молекулами газу також можна знехтувати, за винятком взаємодії під час їх короткочасних зіткнень, вважаючи останні абсолютно пружними.

 Колбу наповнюємо підкрашеною водою. Щільно закриваємо колбу за допомогою резинової пробки крізь яку пропускаємо стікляну трубку, при цьому слідкуємо, щоб нижній кінець трубки був занурений у воду. Через тубус з’єднуємо колбу з одним краном манометра, тоді як інший кран повинен бути закритим. Перед дослідом через верхній патрубок наливаємо у скляну трубку підкрашену воду, щоб її рівень перебував на 24-25 поділці шкали (довжина

трубки ). Щільно закриваємо зажим, далі приєднуємо до манометра ручний насос і для зручності при подальших розрахунках встановлюємо у колбі тиск 1,1 ат.

  1.  За допомогою насосу доводимо тиск у колбі до 1,1 ат, вимірюємо об’єм повітря в умовних одиницях. Дані заносимо у таблицю 1.
  2.  За допомогою насосу поступово збільшуємо тиск від 1,1 ат до 1,5 ат і через кожні 0,1 ат зазначаємо об’єм повітря в умовних одиницях. Дані заносимо у таблицю 1.
  3.  Порівнюємо значення VP, робимо висновки.

Таблиця 1

V

p

VP

Додаткові завдання

  1.  Зобразіть графічно залежність між тиском і об’ємом газу за сталої температури у системах координат: p,T; V,T; p,V.

9. Зміна внутрішньої енергії тіла внаслідок виконання роботи

Обладнання: колба з тубусом, насос, резинова пробка.

Внутрішню енергію ідеального газу масою m, що знаходиться при абсолютній температурі T, можна розрахувати за формулою:

де кількість речовини, кількість ступенів вільності молекул газу.

Кількість ступенів вільності молекул газу – це кількість незалежних величин (координат), які однозначно визначають її положення в просторі, або кількість незалежних рухів, що вона може здійснювати.

 Для одноатомних газів і = 3, для двохатомних і = 5, для жорстких трьох- та багатоатомних молекул і = 6.

 При переході ТДС з одного стану до іншого зміна її внутрішньої енергії () дорівнює алгебраїчній сумі отриманої нею кількості теплоти (Q) і роботи (), виконаної над системою зовнішніми силами:

Справедливе і інше формулювання першого закону термодинаміки:

Кількість теплоти (Q), передана ТДС, витрачається на зміну її внутрішньої енергії () і виконання системою роботи над зовнішніми тілами (А):

Q =

 Формули першого закону термодинаміки для ізопроцесів у ідеальному газі:

 Ізобарний процес (p=const, A=p):

Q =

Ізотермічний процес (T=const, ):

Q = A

 Ізохорний процес (V = const, A = 0):

Q =

 Адіабатний процес (Q = 0):

Тубус колби щільно закриваємо резиновою пробкою. З'єднуємо колбу за  допомогою патрубка  з насосом.

  1.  Щільно вставляємо резинову пробку в горлишко колби і за допомогою насоса нагнітаємо повітря у колбу до того моменту коли пробка вилетить з горлишка.
  2.  Робимо висновки.

Висновки:____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

- 15 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68521. Русская философия 346 KB
  Речь идет об учреждениях и традициях автоматических навыках и твердых правилах избавляющих индивидуумов каждый раз самостоятельно и заново а следовательно и своевольно решать возникающие в их жизни проблемы колеблясь в выборе между различными способами поведения.
68522. Понятие бытия. Бытие-в-мире и бытие мира, универсальный характер этих понятий. Проблема единства мира 170.5 KB
  Вещи и явления возникают длятся и исчезают во времени а также занимают ограниченное место в пространстве. имеющие предел ограничивающий их бытие во времени и в пространстве. И во времени оно тоже ограничено: в какой-то момент появилось и через какое-то время исчезнет например будет съедено или сгниет...
68523. Культура и цивилизация. Общее понятие культуры, антропологические предпосылки и основные определения культуры 169.5 KB
  Общее понятие культуры антропологические предпосылки и основные определения культуры Мы начнем с самого общего представления о культуре которое охватывает все что сюда входит; это будет следовательно самое абстрактное определение но зато самое исходное.
68524. Общее понятие ценности. Ценность и истина. Проблема ценности в истории философии 109 KB
  Отличие человека от других живых существ можно определять по многим признакам: прямоходящее существо обладающее сознанием; способное к чувству стыда; владеющее членораздельной речью; использующее символы; производящее орудия и т. Это и означает что человеческие действия всегда ориентированы на ценности.
68525. Философия в контексте культуры 351.5 KB
  Для одного человека это способ выразить себя. Мировоззрение это совокупность общих представлений человека о своем месте в мире и вытекающих из этого жизненных принципов и целей. Специфика философских проблем состоит в том что конкретные моменты взаимодействия человека с миром рассматриваются...