Аронова Т.А., Минабудинова С.А., Сосновский Ю.М. Лабораторный практикум по молекулярной физике, термодинамике и физике твердого тела

Подождите немного. Документ загружается.

Т.А. АРОНОВА, С.А. МИНАБУДИНОВА, Ю.М. СОСНОВСКИЙ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ,

ТЕРМОДИНАМИКЕ

И ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

ОМСК 2008

Министерство транспорта и связи Российской Федерации

Омский государственный университет путей сообщения

Т.А. АРОНОВА, С.А. МИНАБУДИНОВА, Ю.М. СОСНОВСКИЙ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ,

ТЕРМОДИНАМИКЕ И ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Утверждено редакционно-издательским

советом университета в качестве методических указаний

к выполнению лабораторных работ по

физике

Омск 2008

УДК

ББК

Лабораторный практикум по молекулярной физике, термодинамике и

физике твердого тела: Методические указания к выполнению лабораторных

работ по физике / Т.А. Аронова, С.А. Минабудинова, Ю. М. Сосновский; - Ом-

ский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 40 c.

Методические указания содержат шесть лабораторных работ по молеку-

лярной физике, термодинамике и физике твердого тела, в которых кратко изло-

жен теоретический материал, приведены описание лабораторных установок,

порядок выполнения лабораторных работ и контрольные вопросы.

Указания предназначены для студентов второго курса дневного обучения

технических вузов.

Библиогр.: 8 назв. Табл.9. Рис.15.

Рецензенты:

______________________

путей сообщения, 2008

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение....................................................................................................................... 5

Лабораторная работа 1. Определение отношения теплоемкости при

постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме .............. 6

Лабораторная работа 2. Определение коэффициента вязкости жидкости с

помощью вискозиметра Пуазейля ........................................................................... 11

Лабораторная работа 3. Определение средней длины свободного пробега и

эффективного диаметра молекул воздуха .............................................................. 16

Лабораторная работа 4. Изучение работы полупроводникового диода........... 23

Лабораторная работа 5. Изучение зависимости сопротивления

полупроводника от освещенности........................................................................... 30

Лабораторная работа 6. Изучение температурной зависисмости

электропроводности полупроводников и металлов............................................... 34

Библиографический список...................................................................................... 40

ВВЕДЕНИЕ

Выполнение лабораторных работ по физике помогает студентам лучше

понять суть изучаемых теоретических явлений и процессов, а также на практи-

ке познакомиться с физическими приборами и методикой физических измере-

ний.

При подготовке к лабораторным занятиям студент должен заранее повто-

рить соответствующий теоретический материал по учебнику и конспекту лек-

ций. По методическим указаниям к лабораторной работе разобраться в порядке

ее проведения.

При этом в рабочую тетрадь необходимо записать:

− название работы;

− цель исследования;

− перечень приборов и принадлежностей, используемых в лабораторной

работе;

− рабочую формулу (формулы) с расшифровкой входящих в нее величин;

− формулу расчета погрешностей;

− схему установки или ее рисунок;

− таблицы для записей результатов измерений.

Допущенный к лабораторной работе студент знакомится с принципом

действия приборов, собирает схему установки и после проверки схемы препо-

давателем или лаборантом приступает к эксперименту. Полученные результаты

студент заносит в таблицы, которые проверяются и визируются преподавате-

лем.

По результатам измерений в рабочую тетрадь записывают:

− расчеты искомых величин и погрешности (в случае необходимости ре-

зультаты эксперимента приводятся в виде графиков);

− вывод (краткий анализ полученных результатов и погрешности, сравне-

ние их с табличными значениями и т.п.)

Авторы выражают искреннюю благодарность всем преподавателям и со-

трудникам кафедры физики и химии ОмГУПСа за интерес к данной работе и

высказанные ценные замечания.

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРИ

ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ К ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРИ

ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

Цель работы: ознакомиться с методом Клемана-Дезорма определения

отношения теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при посто-

янном объеме; определить величину показателя адиабаты для воздуха.

Приборы и принадлежности: закрытый стеклянный сосуд, ма-

нометр, насос.

1.1. Описание установки

Экспериментальная установка (рис. 1.1) состоит из стеклянного сосуда 1,

соединенного с водяным манометром 2 и ручным насосом 3 (резиновая «груша»).

Стеклянный сосуд посредством трехходового крана 4 может соединяться

либо только с ручным насосом (резиновой «грушей») и манометром (положе-

ние 1), либо с манометром и атмосферой (положение 2), либо с ручным насосом

и атмосферой (нерабочее положение).

Положение 1

Положение 2

Рис. 1.1. Экспериментальная установка

1.2. Теоретическая часть

Адиабата – это линия на термодинамической диаграмме состояний, изо-

бражающая равновесный адиабатический (адиабатный, изоэнтропический)

процесс, т.е. процесс, при котором термодинамическая система не обменивает-

ся теплом с окружающей средой

[

]

Уравнение адиабаты (уравнение Пуассона) имеет простейший вид для

идеальных газов

;constPV =

;

constTV =

−

constTP =

−

(1.1)

где давление, объем и температура газа соответственно;

−TVP ,,

− показатель адиабаты, равный отношению теплоемкостей газа

еделяемых при постоянном давлении и постоянном объеме, и связанный с

числом степеней свободы i газа следующим образом:

опр

. (1.2)

Отношение теплоемкостей играет большую роль при быстропротекаю-

щих процессах сжатия и расширения газов. Величиной

определяется, напри-

мер, скорость распространения звука в газах, от нее зависит течение газов по

трубам со звуковыми скоростями, достижение сверхзвуковых скоростей в рас-

ширяющихся трубах, процессы сжижения газов и т.п.

Для определения показателя адиабаты

Клеман и Дезорм предложили в

1819 году очень простой метод, основанный на адиабатическом сжатии и рас-

ширении газа.

Газ (воздух) первоначально находится в большом стеклянном сосуде

(рис. 1.1), который соединен с водяным манометром и ручным насосом (рези-

новой «грушей»). Давление воздуха в сосуде равно атмосферному давле-

нию, а температура

− температуре окружающей среды.

Если с помощью насоса накачать в сосуд небольшое количество воздуха, то

давление в сосуде, конечно, повысится. Но уровень жидкости в манометре не сразу

займет равновесное положение, так как при нагнетании воздуха в сосуд происходит

и повышение температуры воздуха. Когда температура воздуха внутри сосуда бла-

годаря теплопроводности стенок сравняется с температурой окружающего воздуха

, в манометре установится разность уровней . При этом давление газа внутри

сосуда , соответствующее показанию манометра , можно записать в виде:

101

ghPP

, (1.3)

где

и − плотность воды в манометре и ускорение свободного падения со-

ответственно.

Если теперь быстро открыть кран, то воздух из сосуда будет адиабатиче-

ски расширяться до тех пор, пока его давление не сравняется с атмосферным

, при этом произойдет и охлаждение газа до температуры .

К процессу адиабатического расширения может быть применено уравне-

ние Пуассона (1.1):

−−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (1.4)

Если сразу же по достижении давления вновь закрыть кран, то давле-

ние внутри сосуда начнет повышаться за счет повышения температуры газа

(благодаря теплопроводности стенок сосуда). Возрастание давления прекратит-

ся, когда температура воздуха в сосуде сравняется с температурой окружающей

среды . При этом давление газа в сосуде , соответствующее показанию

манометра , можно записать в виде:

202

ghPP

. (1.5)

Так как этот процесс был изохорическим, то для него справедливо соот-

ношение:

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (1.6)

Из сравнения равенств (1.4) и (1.6) имеем:

ρρ

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+=+

. (1.7)

Так как

<< 1, то можно воспользоваться разложением правой части

равенства (1.7) в ряд, ограничившись членами первого порядка:

…+⋅

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

γρ

. (1.8)

Из уравнений (1.7) и (1.8) имеем:

⋅

−

+=+

. (1.9)

Решив уравнение (1.9)

, получаем:

−

. (1.10)

1.3. Порядок выполнения работы

1.3.1. Установить трехходовый кран в положение 1 и накачать воздух в

сосуд до тех пор, пока разность уровней воды в манометре не будет максималь-

ной. Пережать зажимом резиновый шланг от насоса и оставить сосуд на 2 – 3

минуты, пока температура воздуха в сосуде не станет равной температуре ок-

ружающей среды (давление в сосуде перестанет меняться). После этого изме-

рить разность уровней воды в манометре и данные занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Результаты измерений и расчетов

№

, мм

табл

…

1.3.2. Резко повернуть кран по ходу часовой стрелки в положение 2. Ха-

рактерный шипящий звук свидетельствует о том, что воздух выходит из сосуда,

а давление в сосуде понижается. В тот момент, когда уровни воды в коленах

манометра сравняются, вернуть его в положение 1. При этом давление в сосуде

станет равным атмосферному, а температура в нем понизится. Подождав 2 – 3

минуты, пока воздух, охлажденный при адиабатическом расширении, нагреется

до температуры окружающей среды, записать в табл. 1.1 показания манометра

1.3.3. Опыт повторить многократно. При этом следует учесть, что если

первоначальное показание манометра на установке можно воспроизвести (в

пределах инструментальной погрешности манометра), то математическая обра-

ботка результатов измерений должна быть построена по правилам косвенных

измерений. Если же установка не позволяет воспроизвести первоначальный ре-

зультат , то следует провести многократные измерения различных показаний

манометра и , рассчитывая каждый раз по формуле (1.10) значение

1 i

Затем провести математическую обработку результатов по правилам косвенных

измерений, если условия эксперимента невоспроизводимы ([2], п. 3.2). Конеч-

но, первый путь логически более предпочтителен, но второй проще.

1.3.4. Вычислить теоретическое значение

для воздуха по формуле (1.2),

полагая воздух двухатомным газом, и сравнить экспериментальный и теорети-

ческий результаты с табличным [3; 4]. Сделать вывод.

1.4. Контрольные вопросы

1. Дайте определение каждому изопроцессу и изобразите их на различных

термодинамических диаграммах. Приведите примеры практической реализации

процессов в какой-либо физической системе.

2. Расскажите о числе степеней свободы. Сформулируйте закон равно-

мерного распределения энергии по степеням свободы. Дайте определение внут-

ренней энергии идеального газа. Сравните внутренние энергии 1 моля аргона и

азота, находящихся при комнатной температуре, и дайте пояснения.

3. Сформулируйте первое начало термодинамики для всех изопроцессов.

В каком из изопроцессов (и почему) выгоднее сжать один моль идеального газа

от 5 до 3 литров?

4. Пользуясь первым началом термодинамики, получите уравнение адиа-

баты (уравнение Пуассона) и запишите его в

,.PVV T

−

− , −координатах.

PT−

5. Чем объяснить появление облачка тумана у горлышка бутылки с охла-

жденным шампанским сразу после ее быстрого открывания?