Лабораторные работы по курсу общей физики (2-я Редакция 2012 г.)
Подождите немного. Документ загружается.
3
плотности теплового потока через каждую из пластин будет одинакова и равна:
dx
xdT
q
i
, (2.4)
где
i
коэффициент теплопровоности любой из трех пластин (i = 1, 2, 3).
Разделим переменные:
dx
q
xdT
i
(2.5)
и проинтегрируем уравнение в пределах толщины i-й пластины:
dx
q
xdT
ii
i
ii
i
dx
x
i
dxT
xT
. (2.6)
При небольших перепадах температур коэффициент теплопроводности можно
считать постоянным, поэтому
i
i
iii
qd
dxTxT
; (2.7)
т.е. получается система:
3433
2322
1211
qdTT
qdTT
qdTT
(2.8)
Таким образом, имея возможность измерить температуры на границах раздела
пластин и зная коэффициент теплопроводности одной из них при известных толщинах,
можно вычислить теплопроводности других:
212
3212
1
TTd
TTd
432
3232
3
TTd
TTd
(2.9)
3 Экспериментальная часть
3.1 Схема установки
где 1 – термоблок;
2 – многоканальный цифровой термометр;
4
3-5 – квадратные пластины из разных диэлектриков;
6 и 7 – массивные плиты, сжимающие диэлектрики;
8 – нагревательная спираль;
9 – тонкие металлические прокладки, хорошо проводящие тепло;
10 – термопары.
3.2 Результаты измерений
d
1
= 2,0 мм
d
2
= 1,0 мм
d
3
= 2,0 мм
2
= 0,174
T
1
T
2
T
3
T
4
160
130
84
36
212
3212
1
TTd
TTd
= 0,5336
432
3232
3
TTd
TTd
= 0,3335
3.2.1 Расчет погрешностей
12
322
ii
i
i
TTd
TTd
(3.1)
Используя формулу
t
dt
df
y
dy
df
x
dx
df
u ...
(3.2)
вычисляю абсолютные погрешности
1
и
3
:
4
2
432
3232
3
2
432
4232
2
432
32
3
3
212
12
2
2
212
3112
1
2
212
3212
1
T
TTd
TTd
T
TTd
TTd
T
TTd
d
T
TTd
d
T
TTd
TTd
T
TTd
TTd
, (3.3)
где T
1
= T
2
= T
3
= T
4
= 0,5
0
C.
1
= 0,5336 0,029;
1
= 0,3335 0,014;
5
Относительная погрешность рассчитывается по формуле:
%100
(3.4)
1
= 5.507 %
2
= 4.257 %
Вывод: В ходе опыта было установлено, что коэффициент теплопроводности твердых
диэлектриков зависит от толщины слоя диэлектрика и от разности температур в верхних и
нижних слоях диэлектрика.
То
Тпл
0
t
T
I
II
t
1
t
2
Лабораторная работа №28
Определение удельной теплоты плавления олова при нагревании и плавлении.
Цель работы:
1. Усвоение понятия энтропии и второго начала термодинамики.
2. Определение опытным путем температуры плавления олова, его удельной теплоты плавления и
изменения энтропии при нагревании и плавлении.
Приборы и принадлежности: термоблок (1), олово (3), тигель (4), сосуд из твердоплавкой керамики,
спираль (5), реостат (6), цифровой термометр (2) и термопар (7).
Схема установки:
Теория: В формулировке Клаузиуса энтропия термодинамической системы представляет собой
функцию:
T
Qd
dS
(1)
Обратимым называется процесс, при котором система может быть возвращена в исходное
состояние так, что и все окружающие ее тела вернутся в первоначальное состояние. Процессы, не
удовлетворяющие этому условию, называются необратимыми. Энтропия, как и внутренняя энергия,
является аддитивной функцией состояния, т.е. энтропия системы равна сумме энтропий всех тел,
входящих в ее состав.
Второе начало термодинамики утверждает, что все естественные процессы стремятся
перевести систему в состояние с большим беспорядком. Больцман показал, что в соответствии с
определением Клаузиуса (1) энтропия системы в данном состоянии может быть записана в виде:
WlnkS
(2)
где: k – постоянная Больцмана;
W – термодинамическая вероятность.
Таким образом, второе начало термодинамики сводится к утверждению того, что происходят
лишь те процессы, которые являются наиболее вероятными. На диаграмме зависимости температуры
тела от времени нагревания (охлаждения) можно
определить изменение энтропии.
Участок I – нагревание тела в течение
времени t
1
от начальной температуры То до
температуры плавления Тпл.
Участок II – плавление тела в течение
времени t
2
– t
1
.
Пользуясь диаграммой Т(t) можно
определить температуру плавления тела Тпл, а при
постоянной мощности нагревателя – его удельную
теплоту плавления λ..
ТоTплcmQ
1
(3)
mQ
2
(4)
12
1
2
1
tt
t
Q
Q
12
1
tt
t
ТоTплc
(5)
1
12
t
ttТоTплc
(6)
При нагревании тела на dT градусов оно получает элементарное количество теплоты:
cmdTQd
(7)
При этом энтропия тела изменяется на величину:
T
dT
cm
T
Qd
dS
(8)
Суммарное изменение энтропии тела при его нагревании от температуры То до Тпл находится
интегрированием (8):
Tпл
То
Tпл
To
1
То
Тпл
lncm
T
dT
cm
T
dT
cmS
(9)
При плавлении энтропия изменяется на величину:
22
Q
Q
2
Q
Q
2
Тпл
m
Тпл
Q
Qd
Тпл
1
Тпл
Qd
S
Полное изменение энтропии тела равно:
ТплТо
Тпл
lncmSSS
21
t, сек
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
Наг.˚С
35
38
47
62
79
92
98
112
126
136
151
168
183
196
Охл.˚С
255
250
239
227
216
206
197
188
179
172
164
158
151
146
t, сек
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
750
780
810
Наг.˚С
207
217
227
233
239
244
248
251
255
262
-
-
-
-
Охл.˚С
142
139
136
134
131
128
125
123
120
117
113
110
106
103
То = 35 ˚С = 310 К t
1
= 585 сек. Тпл = 244 ˚С = 519 К t
2
- t
1
=75 сек.
Ккг
Дж
230с
1
12
t
ttТоTплc
кг
Дж
8,6162
с585
с585с660К310К519
Ккг
Дж
230
ТплТо
Тпл
lncmS
К
Дж
13
К519
кг
Дж
8,6162
К310
К519
ln
Ккг
Дж
230кг1,0S
Вывод: _________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
0
50
100
150
200
250
300
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810
t, сек
Т, ˚С
Лабораторная работа 31.
Исследование электростатического поля.
Приборы и принадлежности:
V
1
2 3
4
1. Источник питания
2. Вольтметр
3. Зонд
4. Сосуд с электродами
Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом
Кулона:
F=
1
0
q q
1 2
r
2
где q1 и q2 - заряды, r - расстояние между ними.
Всякий заряд создает вокруг себя электро-статическое поле. Одной из
характеристик такого поля является напряженность.
Напряженностью электрического поля называют величину, численно
равную силе, действующей на единичный заряд, помещенный в это поле:
E=F/q
Если поле создано несколькими зарядами, то векторы силы и
напряженности находятся согласно принципу суперпозиции.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Для упрощения представления электростатического поля введено
понятие линий напряжнности. Это такие математические кривые, что
касательная к ним в каждой точке совпадает с направлением вектора
напряженности. Силовые линии всегда начинаются в положительном
заряде и оканчиваются в отрицательном.
Результаты измерений:
0
3
6
9
12
15
18
21
24
10 V
7.5
7
6.8
6.6
6.5
6.6
6.8
7
7.5
13 V
1.9
2.8
3.5
4
4.2
4
3.5
2.8
1.9
15 V
0
1.2
2
2.3
2
1.2
0
17 V
0.3
0.9
0.3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 3 6 9 12 15 18 21 24
10 V
13 V
15 V
17 V
В этой работе мы на опыте ознакомились со свойствами электро-
статического поля и графически изобразили линии электро-магнитной
индукции.
Лабораторная работа № 32 .
Изучение законов постоянного тока .
Цель работы:
Изучение методов измерения сопротивления проводников,
основанных на законах постоянного тока. Измерение сопротивления
1) С помощью моста Уинстона;
2) Путем расчета по измеренным значениям напряжения и силы тока в
цепи .
Теория метода:
Электрический ток.
Электрическим током называется направленное движенгие
зарядов, которые в этом случае называются носителями заряда.
Силой тока называется физическая величина, равная заряду,
прошедшему через сечение проводника в единицу времени,
Вектор плотности j - есть физическая величина, равная силе тока,
протекающего через единицу сечения проводника, перпендикулярно
направлению тока:
Зная плотность тока через любую малую площадь dS, можно найти
силу тока по формуле:
Физическая величина определяемая работой Аст источника
стороних сил по переносу единого пробного заряда , называется
электродвижущей силой Е источника (ЭДС) .
Физическая величина, равная работе суммарного электрического
поля стороннего и кулоновского источников по переносу единичного
пробного заряда, называется напряжением ,
Закон Ома .
Закон Ома утверждает, что сила тока, протекающего по цепи, прямо
пропорциональна напряжению, действующему в данной цепи.
Коэффициентом пропорционольности является величина, зависящая
от собственных свойств проводника.
где R - сопративление проводника
Закон Джоуля-Ленца .
При протекании тока проводник нагревается. Закон Джоуля-Ленца
позволяет расчитать количество выделившегося за время dt тепла dQ
если величина
тока J остается постоянной в течении этого времени .
Если же сила тока меняется со временем, то количество тепла Q
можно расчитать по формуле.
Выполнение работы:
1) Rx=2.8 Ом
2) Результаты измерений:
N
I
U
U/R
U/I
Rx
E
a
1
2
3
4
5
b
1
2
3
4
5