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.
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:
- таблица пяти исходных измерений: , , , , ;
- расчёт количества теплоты, полученного водой;
- расчёт удельной теплоёмкости цилиндра ;
- предположение о веществе по таблице;
- арифметическая сверка , 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 , 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:
- рабочее место сухое и устойчивое;
- нить надёжно закреплена на цилиндре;
- термометр цел, его можно держать вертикально, не касаясь стенок и дна;
- 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
| Величина | Физический смысл | Единица для расчёта |
|---|---|---|
| масса воды | кг | |
| начальная температура воды | C | |
| начальная температура цилиндра, принимаемая равной измеренной температуре горячей воды после их теплового равновесия | C | |
| общая температура воды и цилиндра после установления теплового равновесия | C | |
| масса цилиндра | кг |
Индекс 1 относится к воде, индекс 2 — к цилиндру, а — к их общему конечному состоянию.
Физическая модель
Горячий цилиндр охлаждается и отдаёт энергию. Прохладная вода нагревается и получает энергию. В идеальной модели теплообмена:
Для воды:
где .
Для цилиндра модуль отданного количества теплоты:
Приравнивая выражения, получаем рабочую формулу:
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 и начальную температуру .
Для воды школьного опыта можно использовать приближение: . Например:
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 — 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 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 в килограммах. Мокрый цилиндр даст завышенную массу.
Таблица измерений
| , кг | , C | , C | , C | , кг | , Дж | Модуль , Дж | , Дж/(кг·C) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
До вычислений проверь физически допустимый диапазон:
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:
- найди изменение температуры воды: ;
- рассчитай ;
- найди изменение температуры цилиндра: ;
- рассчитай по рабочей формуле;
- найди и арифметически сверь с (это контроль вычислений, а не независимая проверка модели);
- только теперь сравни результат с таблицей и найди относительное расхождение.
Самостоятельная проверка маршрута
Если эксперимент временно недоступен, используй учебный набор данных:
| кг | C | C | C | 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 , и . Запиши формулы, подстановку с единицами и предположение о веществе. Только после этого переходи к сверке.
Сверка после попытки
Количество теплоты, полученное водой:
Удельная теплоёмкость цилиндра:
Проверка количества теплоты, отданного цилиндром:
Разница и Дж появилась из-за округления ; условие выполняется.
Сравним с несколькими табличными значениями:
| Вещество | , Дж/(кг·C) |
|---|---|
| медь | 380 |
| железо | 460 |
| алюминий | 920 |
| латунь | около 380 |
Значение 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:
Это относительное расхождение, а не полная метрологическая оценка неопределённости опыта. Здесь использовано округлённое ; если сохранить неокруглённое значение до конца, получится около . 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 .
Исследовательский вопрос
Как масса воды влияет на точность результата?
Сначала письменно спрогнозируй: если увеличить массу воды, станет ближе к или к ? Как изменится заметность 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, становится ближе к , изменение температуры мало, и одна цена деления термометра сильнее влияет на относительную погрешность .
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
- Почему должна быть выше , но ниже ?
- Зачем цилиндр после опыта промокают перед взвешиванием?
- Почему массу переводят в килограммы до подстановки?
- Какой участник теплообмена не входит в идеальную формулу, хотя реально нагревается?
- Как изменится найденное , если ошибочно записать слишком большое ? Рассмотри одновременно числитель и знаменатель.
Ответы
- Энергия передаётся от более горячего цилиндра к более холодной воде до установления общей температуры, поэтому она лежит между и .
- Капли увеличили бы измеренную массу цилиндра и исказили знаменатель формулы.
- В расчёте коэффициент задан в Дж/(кг·C), поэтому нужны килограммы. В отношении масс для одинаковые единицы сокращаются, но смешение граммов и килограммов даёт ошибку в 1000 раз.
- Калориметр и термометр тоже нагреваются; кроме того, часть энергии уходит в окружающую среду.
- В числителе разность увеличится, а в знаменателе уменьшится. Оба изменения завысят найденное .
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 .
- Для воды .
- Для цилиндра .
- Отсюда .
- Вещество определяют сравнением опытного значения с таблицей.
- Расхождение с таблицей анализируют через теплопотери, дополнительные тела и точность измерений.
10 вопросов по теме «Тест: Лабораторная работа № 2 «Измерение удельной теплоёмкости вещества»». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.
Открыть отдельноВопрос 1 из 10
ТренировкаБез отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.
Скачать и открыть
Материалы урока
3 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Калориметрическая лабораторная: оборудование и допуск, измерения m₁, t₁, t₂, t₃, m₂, расчёты Q₁, c₂ и |Q₂|, вероятное вещество и относительное расхождение с таблицей.
Презентация · MediaSchool
Лабораторная работа по измерению удельной теплоёмкости: оборудование, локальная техника безопасности, 45-минутный сценарий, Q₁, c₂ и |Q₂|, относительное расхождение, рабочий лист, ключи и критерии оценивания.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
От сообщества
Материалы сообщества0
Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.
Поделитесь первым материалом
Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!