Перейти к содержанию
MediaSchool

Лабораторная работа № 2 «Измерение удельной теплоёмкости вещества»

ОПБП перед работой. Экспериментальное определение удельной теплоёмкости металлического цилиндра: измерения массы и температур, тепловой баланс, расчёт, определение вещества и анализ расхождения с таблицей.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Можно ли определить металл, не рассматривая его цвет и не зная маркировки? Сегодня мы используем теплообмен как способ узнать вещество: нагретый металлический цилиндр отдаст энергию прохладной воде, а измерения позволят рассчитать его удельную теплоёмкость.

Оригинальная постановочная иллюстрация MediaSchool. Все числовые показания в работе получают на реальных приборах или берут из явно обозначенного учебного набора данных.

Что должно получиться

К концу работы у тебя будет не одно число, а проверяемое доказательство:

  1. таблица пяти исходных измерений: m1m_1, t1t_1, t2t_2, t3t_3, m2m_2;
  2. расчёт количества теплоты, полученного водой;
  3. расчёт удельной теплоёмкости цилиндра c2c_2;
  4. предположение о веществе по таблице;
  5. арифметическая сверка Q1≈∣Q2∣Q_1\approx|Q_2|, относительное расхождение и объяснение его причин.

До измерений запиши гипотезу к единому вопросу: можно ли по пяти измерениям и тепловому балансу определить вещество цилиндра? Продолжи: «Если рассчитать c2c_2, то ближайшее табличное значение …»

Не открывай таблицу удельных теплоёмкостей до собственного расчёта: иначе легко начать подгонять результат под знакомое число.

Оборудование

На рабочую группу нужны:

  • лабораторный термометр;
  • калориметр;
  • мензурка и 150–180 мл воды комнатной температуры;
  • весы с гирями;
  • металлический цилиндр на прочной нити или крючке;
  • салфетка;
  • отдельная мешалка и поддон;
  • таблица для записи результатов.

Сосуд с горячей водой для прогрева цилиндра, щипцы и термозащитная перчатка остаются на столе учителя.

В группе распределите роли: экспериментатор работает с калориметром и нитью, измеритель считывает термометр, регистратор ведёт таблицу. Расчёт, относительное расхождение и итоговый вывод выполняет каждый ученик индивидуально.

Допуск к работе

Горячий этап выполняют только в кабинете физики под непосредственным контролем учителя. Горячий цилиндр выдаёт и переносит учитель. Ученик не касается цилиндра, кипящей воды и внутреннего стакана калориметра руками.

Перед началом проверь четыре правила:

  1. рабочее место сухое и устойчивое;
  2. нить надёжно закреплена на цилиндре;
  3. термометр цел, его можно держать вертикально, не касаясь стенок и дна;
  4. при проливе, повреждении прибора или срыве нити работа немедленно прекращается.

Горячий цилиндр передаёт учитель. Поддон принимает капли, а руки учеников остаются вне горячей зоны.

Какие величины измеряем

ВеличинаФизический смыслЕдиница для расчёта
m1m_1масса водыкг
t1t_1начальная температура воды∘^\circC
t2t_2начальная температура цилиндра, принимаемая равной измеренной температуре горячей воды после их теплового равновесия∘^\circC
t3t_3общая температура воды и цилиндра после установления теплового равновесия∘^\circC
m2m_2масса цилиндракг

Индекс 1 относится к воде, индекс 2 — к цилиндру, а t3t_3 — к их общему конечному состоянию.

Физическая модель

Горячий цилиндр охлаждается и отдаёт энергию. Прохладная вода нагревается и получает энергию. В идеальной модели теплообмена:

Q1=∣Q2∣.Q_1=|Q_2|.

Для воды:

Q1=c1m1(t3−t1),Q_1=c_1m_1(t_3-t_1),

где c1=4200 Дж/(кг⋅∘C)c_1=4200\ \text{Дж/(кг·}^\circ\text{C)}.

Для цилиндра модуль отданного количества теплоты:

∣Q2∣=c2m2(t2−t3).|Q_2|=c_2m_2(t_2-t_3).

Приравнивая выражения, получаем рабочую формулу:

c2=c1m1(t3−t1)m2(t2−t3).c_2=\frac{c_1m_1(t_3-t_1)}{m_2(t_2-t_3)}.

Эта модель пока не учитывает нагрев калориметра и термометра и обмен энергией с окружающим воздухом. Мы вернёмся к этому ограничению после расчёта.

Ход работы

1. Подготовь воду

Налей в калориметр 150–180 мл воды комнатной температуры. Определи массу воды m1m_1 и начальную температуру t1t_1.

Для воды школьного опыта можно использовать приближение: 1 мл≈1 г1\ \text{мл}\approx1\ \text{г}. Например:

160 мл≈160 г=0,160 кг.160\ \text{мл}\approx160\ \text{г}=0{,}160\ \text{кг}.

Приближение «миллилитры равны граммам» нельзя автоматически переносить на любое вещество.

2. Получи нагретый цилиндр

Учитель предварительно выдерживает цилиндр в горячей воде до теплового равновесия и сообщает t2t_2 — измеренную температуру этой воды. Запиши её, не подходя к горячей зоне. Учитель извлекает цилиндр за нить или с помощью щипцов и быстро полностью погружает его в воду калориметра группы: задержка увеличивает теплообмен с воздухом.

3. Найди температуру равновесия

Вставь термометр и осторожно перемешивай воду отдельной мешалкой по инструкции учителя. Не используй термометр как мешалку. Следи за ростом температуры. Запиши максимальное значение t3t_3 после выравнивания температуры воды и цилиндра, до заметного охлаждения.

Постановочная иллюстрация показывает направление взгляда, а не шкалу для измерений. Температуру считывают на реальном термометре; его колба не должна касаться цилиндра, стенки и дна калориметра.

4. Определи массу цилиндра

После разрешения учителя извлеки остывший цилиндр за нить, положи на салфетку, промокни и только затем взвесь. Запиши массу m2m_2 в килограммах. Мокрый цилиндр даст завышенную массу.

Таблица измерений

m1m_1, кгt1t_1, ∘^\circCt2t_2, ∘^\circCt3t_3, ∘^\circCm2m_2, кгQ1Q_1, ДжМодуль Q2Q_2, Джc2c_2, Дж/(кг·∘^\circC)

До вычислений проверь физически допустимый диапазон:

t1<t3<t2.t_1<t_3<t_2.

Если условие нарушено, не подставляй числа автоматически. Проверь, не перепутаны ли обозначения, правильно ли считана шкала и действительно ли записано максимальное установившееся значение.

Обработка результатов

Выполняй расчёт в одном порядке:

  1. найди изменение температуры воды: t3−t1t_3-t_1;
  2. рассчитай Q1=c1m1(t3−t1)Q_1=c_1m_1(t_3-t_1);
  3. найди изменение температуры цилиндра: t2−t3t_2-t_3;
  4. рассчитай c2c_2 по рабочей формуле;
  5. найди ∣Q2∣=c2m2(t2−t3)|Q_2|=c_2m_2(t_2-t_3) и арифметически сверь с Q1Q_1 (это контроль вычислений, а не независимая проверка модели);
  6. только теперь сравни результат с таблицей и найди относительное расхождение.

Самостоятельная проверка маршрута

Если эксперимент временно недоступен, используй учебный набор данных:

m1m_1t1t_1t2t_2t3t_3m2m_2
0,1600{,}160 кг22 ∘22\ ^\circC98 ∘98\ ^\circC31 ∘31\ ^\circC0,1000{,}100 кг

Основной расчёт всегда выполняй по собственным данным. Этот набор — только тренировка обработки, если горячий этап остановлен; он не заменяет выполнение реальной лабораторной и проверку экспериментальных умений. Самостоятельно найди Q1Q_1, c2c_2 и ∣Q2∣|Q_2|. Запиши формулы, подстановку с единицами и предположение о веществе. Только после этого переходи к сверке.


Сверка после попытки

Количество теплоты, полученное водой:

Q1=4200⋅0,160⋅(31−22)=6048 Дж.Q_1=4200\cdot0{,}160\cdot(31-22)=6048\ \text{Дж}.

Удельная теплоёмкость цилиндра:

c2=60480,100⋅(98−31)≈903 Дж/(кг⋅∘C).c_2=\frac{6048}{0{,}100\cdot(98-31)}\approx903\ \text{Дж/(кг·}^\circ\text{C)}.

Проверка количества теплоты, отданного цилиндром:

∣Q2∣=903⋅0,100⋅(98−31)≈6050 Дж.|Q_2|=903\cdot0{,}100\cdot(98-31)\approx6050\ \text{Дж}.

Разница 60486048 и 60506050 Дж появилась из-за округления c2c_2; условие Q1≈∣Q2∣Q_1\approx|Q_2| выполняется.

Сравним с несколькими табличными значениями:

Веществоcc, Дж/(кг·∘^\circC)
медь380
железо460
алюминий920
латуньоколо 380

Значение 903 Дж/(кг⋅∘C)903\ \text{Дж/(кг·}^\circ\text{C)} ближе всего к алюминию. Значит, для этого учебного набора цилиндр, вероятнее всего, алюминиевый. Это школьные округлённые значения для выбранной таблицы; в своём отчёте укажи использованный источник. По одной удельной теплоёмкости медь и латунь надёжно не различить.

Относительное расхождение с табличным значением:

ε=∣cопыт−cтабл∣cтабл⋅100%=∣903−920∣920⋅100%≈1,8%.\varepsilon=\frac{|c_{\text{опыт}}-c_{\text{табл}}|}{c_{\text{табл}}}\cdot100\%=\frac{|903-920|}{920}\cdot100\%\approx1{,}8\%.

Это относительное расхождение, а не полная метрологическая оценка неопределённости опыта. Здесь использовано округлённое c2=903c_2=903; если сохранить неокруглённое значение до конца, получится около 1,9%1{,}9\%. Важно придерживаться одного способа округления.

Почему не получилось ровно 920

Точное совпадение не является целью школьного опыта. Идеальная модель считает единственными участниками теплообмена воду и цилиндр, но в действительности:

  • внутренний стакан калориметра тоже нагревается;
  • термометр получает часть энергии;
  • цилиндр охлаждается во время переноса;
  • калориметр обменивается энергией с воздухом и столом;
  • масса и температура измеряются с ограниченной точностью;
  • капли воды на цилиндре могут изменить результат взвешивания.

Сильный вывод не «исправляет» данные, а называет направление влияния. Например: если часть энергии цилиндра получила не вода, то расчёт по одной воде недооценивает отданную цилиндром энергию и может исказить найденное c2c_2.

Исследовательский вопрос

Как масса воды влияет на точность результата?

Сначала письменно спрогнозируй: если увеличить массу воды, t3t_3 станет ближе к t1t_1 или к t2t_2? Как изменится заметность Δt\Delta t на шкале? Не читай объяснение ниже, пока не зафиксируешь ответ.


Сверка суперзадания

Если воды очень мало, её температура заметно повышается, но возрастает относительное влияние теплообмена со стенками и воздухом. Если воды слишком много, t3t_3 становится ближе к t1t_1, изменение температуры мало, и одна цена деления термометра сильнее влияет на относительную погрешность Δt\Delta t.

Сформулируй инженерный компромисс: воды должно быть достаточно для полного погружения цилиндра и уменьшения роли случайных теплопотерь, но изменение температуры должно оставаться хорошо различимым на шкале.

Проверь себя

  1. Почему t3t_3 должна быть выше t1t_1, но ниже t2t_2?
  2. Зачем цилиндр после опыта промокают перед взвешиванием?
  3. Почему массу переводят в килограммы до подстановки?
  4. Какой участник теплообмена не входит в идеальную формулу, хотя реально нагревается?
  5. Как изменится найденное c2c_2, если ошибочно записать слишком большое t3t_3? Рассмотри одновременно числитель и знаменатель.

Ответы

  1. Энергия передаётся от более горячего цилиндра к более холодной воде до установления общей температуры, поэтому она лежит между t1t_1 и t2t_2.
  2. Капли увеличили бы измеренную массу цилиндра и исказили знаменатель формулы.
  3. В расчёте QQ коэффициент cc задан в Дж/(кг·∘^\circC), поэтому нужны килограммы. В отношении масс для c2c_2 одинаковые единицы сокращаются, но смешение граммов и килограммов даёт ошибку в 1000 раз.
  4. Калориметр и термометр тоже нагреваются; кроме того, часть энергии уходит в окружающую среду.
  5. В числителе разность t3−t1t_3-t_1 увеличится, а в знаменателе t2−t3t_2-t_3 уменьшится. Оба изменения завысят найденное c2c_2.

Итоговый вывод

Заполни четыре части:

  • «Мы измерили …»;
  • «По уравнению теплового баланса рассчитали …»;
  • «По сравнению с таблицей образец, вероятнее всего, …»;
  • «Расхождение объясняется …».

После работы положи цилиндр на салфетку, слей воду только по указанию учителя и вытри рабочее место.

Коротко

  • В идеальной модели Q1=∣Q2∣Q_1=|Q_2|.
  • Для воды Q1=c1m1(t3−t1)Q_1=c_1m_1(t_3-t_1).
  • Для цилиндра ∣Q2∣=c2m2(t2−t3)|Q_2|=c_2m_2(t_2-t_3).
  • Отсюда c2=c1m1(t3−t1)/[m2(t2−t3)]c_2=c_1m_1(t_3-t_1)/[m_2(t_2-t_3)].
  • Вещество определяют сравнением опытного значения с таблицей.
  • Расхождение с таблицей анализируют через теплопотери, дополнительные тела и точность измерений.

Самопроверка

Проверь себя

10 вопросов по теме «Тест: Лабораторная работа № 2 «Измерение удельной теплоёмкости вещества»». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.

Открыть отдельно

Вопрос 1 из 10

Тренировка
Что определяют в лабораторной работе № 2 с горячим металлическим цилиндром и водой?

Без отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.

Скачать и открыть

Материалы урока

3 материала

Подготовка к уроку

2 материала

Проверка знаний

1 материал

От сообщества

Материалы сообщества0

Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.

Поделиться материалом

Поделитесь первым материалом

Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!