Лабораторная работа № 2 «Изучение изобарного процесса»

На прошлом занятии уже есть закон Гей-Люссака. Здесь его не выводят. Нужно проверить его на воздухе в трубке и принести бланк, в котором числа появляются только с ваших приборов.

Если опыт ещё впереди, сначала запишите прогноз без чисел: станет ли столб воздуха короче и совпадут ли два отношения. Ниже разобрано, как опыт устроен. Горячую воду дома не греют. Её наливает учитель в кабинете, после допуска. Если измерения не было, в клетке пишут «не измерили».

Постановка. Шкалы на рисунке нет: это не показания приборов.

Что проверяют

Цель работы: исследовать зависимость объёма воздуха данной массы от температуры при постоянном давлении.

С прошлого занятия, без нового вывода: если масса газа и давление постоянны, отношение объёма к абсолютной температуре постоянно.

$$\frac{V}{T} = \text{const}$$

Абсолютная температура в этой работе:

$$T = t + 273$$

Здесь $t$ — то, что показал термометр в градусах Цельсия, $T$ — кельвины. Градусы Цельсия в отношение не подставляют: нуль Цельсия не является нулём объёма. Разница между $273$ и $273{,}15$ меньше цены деления обычного школьного термометра, поэтому в бланке используют $273$.

Почему меряют длину

Воздух находится в силиконовой трубке. Внутреннее сечение вдоль трубки одно и то же, поэтому объём пропорционален длине столба воздуха: $V = Sl$. Площадь $S$ сокращается, и уже известное равенство $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$ превращается в проверку

$$\frac{T_1}{T_2} = \frac{l_1}{l_2}$$

Это замена объёма длиной, не вывод закона.

Так выглядит укладка. Глубину и температуру с кадра не снимают.

Два состояния

Сравнивают не «пока грели», а два состояния одной и той же порции, которая осталась после того, как лишний воздух вышел.

1. До нагрева измерьте вдоль трубки длину $l_1$ столба воздуха: от закрытого нижнего зажима до открытого конца. Трубку уложите в стакан. Нижний зажим закрыт, верхний открыт.
2. Учитель наливает воду $55$–$60\ ^\circ\text{C}$ так, чтобы открытый конец ушёл в воду на $5$–$10$ мм. Спиртовой термометр стоит в воде, не в трубке и не вместо мешалки. Пузырьки — это выходящий воздух, масса ещё меняется. Когда они прекратились, воздух принял температуру воды. Запишите $t_1$. Дальше масса этой порции та же.
3. Закройте верхний зажим, слейте горячую воду и налейте воду комнатной температуры до того же уровня. Снова откройте зажим. Термометр снова в воде. Через $1$–$2$ минуты запишите $t_2$.
4. Закройте зажим, выньте трубку, встряхните воду в один столб и измерьте его длину $\Delta L$ вдоль трубки.
5. Длина охлаждённого воздуха:

$$l_2 = l_1 - \Delta L$$

Пока верхний зажим закрыт и воду меняют, объём временно не меняется. Это не тот процесс, который проверяют. Нижний зажим всё время закрыт. Проверяют два состояния с открытым верхним концом и одинаковым погружением: добавка давления от столбика воды одна и та же, поэтому $p_1 = p_2$.

Погружение в обоих состояниях делают одинаковым. Миллиметры с картинки не списывают.

Что писать в бланк

Клетки пустые, пока нет своего отсчёта.

Цену деления термометра и линейки списывают с прибора в руке. На учебных кадрах шкалы нет, и переносить с них нечего.

На кадре нет шкалы. Это напоминание, а не прибор для отсчёта.

Длину, снятую в сантиметрах, переводят в метры: $1$ см $= 0{,}01$ м. Если вода не собралась в один столб, $\Delta L$ не выдумывают: пишут «столб не собрался» и отношения не считают.

Погрешность этой работы

Правило ниже взято для этой лабораторной из пособия. Оно не является универсальным «плюс-минус половина деления» для любого опыта.

$\Delta T$ — сумма погрешности прибора и погрешности отсчёта термометра, как их задаёт паспорт и правило кабинета. $\Delta l$ — то же для длины. Готовых чисел в комплекте нет.

$$\varepsilon_1 = \frac{\Delta T}{T_1} + \frac{\Delta T}{T_2}, \qquad \Delta_1 = \varepsilon_1 \frac{T_1}{T_2}$$ $$\varepsilon_2 = \frac{\Delta l}{l_1} + \frac{\Delta l}{l_2}, \qquad \Delta_2 = \varepsilon_2 \frac{l_1}{l_2}$$

Дальше два интервала. Отношение температур лежит между $\frac{T_1}{T_2} - \Delta_1$ и $\frac{T_1}{T_2} + \Delta_1$. Отношение длин — между $\frac{l_1}{l_2} - \Delta_2$ и $\frac{l_1}{l_2} + \Delta_2$.

Если интервалы пересекаются, в пределах погрешности этой трубки отношения совпали. Если не пересекаются, числа не подгоняют. Проверяют кельвины, одинаковое погружение, один столб воды и то, что в холодной воде новые пузырьки воздуха не выходили. Если правило погрешности в кабинете не задано, интервалы не строят и так прямо пишут.

Продукт урока — заполненный своими числами бланк, не переписанный кадр.

Ошибки, которые ломают вывод

Проверь себя

1. Какие две величины должны быть одинаковы в состояниях, которые сравнивают?
2. Почему вместо объёма измеряют длину столба воздуха?
3. В какой момент записывают $t_1$?
4. Почему $t$ и $T$ не одно и то же число?
5. Что пишут в клетке, если свою трубку не измерили?
6. Зачем держать погружение открытого конца $5$–$10$ мм и в горячей, и в холодной воде?

Показать ответ после выполнения

Коротко

• Закон на этом уроке не выводят: проверяют $T_1/T_2$ и $l_1/l_2$.
• $l_2 = l_1 - \Delta L$, температура в кельвинах.
• Давление держат одним и тем же одинаковым погружением.
• Погрешность считают по правилу этой работы и по своим приборам.
• В бланке нет числа, которого не показал прибор.