Лабораторные работы по общему курсу физики

Измерения и погрешности измерений
Построение и оформление графиков
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Определение ускорения свободного падения
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
МЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕЛ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ КОНВЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА БОЙЛЯ-МАРИОТТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СЫПУЧИХ ТЕЛ

Приборы и принадлежности: газовый объемометр, песок, весы с разновесами.

Цель работы: изучение одного из методов определения плотности сыпучих тел.

Краткая теория

Для определения плотности вещества r нужно знать массу и объем некоторого его количества:

 (10.1)

Массу вещества можно определить путем взвешивания, а объем твердых тел, имеющих правильную геометрическую форму, – измерением его линейных размеров. Объем твердых тел любой формы нетрудно найти, погружая эти тела в воду, налитую в мензурку, или взвешивая их в жидкости с известной плотностью.

Все эти методы, однако, не могут быть применены для определения объема сыпучих и простых веществ, растворимых или набухающих в жидкости. Объем таких тел удобно определять при помощи газового объемометра, работа которого основана на использовании закона Бойля-Мариотта. Газовый объемометр (рис. 10.1) состоит из металлического рабочего баллона А, присоединенной к нему снизу стеклянной колбы В, стеклянной манометрической трубки М и вспомогательного резервуара Р, наполненного водой.

Баллон А герметически закрывается крышкой, снабженной краном К. Внутри этого баллона устанавливается ведерко, в которое помещают исследуемое вещество (в данной работе – песок). Перемещая резервуар Р в вертикальном направлении, можно изменять уровень воды в резервуаре и в манометре (рис. 10.2).

Для определения объема вещества V, помещенного в баллон А, нужно найти объем воздуха, заключенного в этом баллоне, сначала без исследуемого вещества V1, а затем вместе с этим веществом V1¢. Объем вещества равен, очевидно, разности измеренных объемов V1-V1¢=V. Измерение объема исследуемого вещества происходит при постоянной температуре, т. е. процесс изотермический.

 Рис. 10.1 Рис. 10.2

Изотермический процесс для газа подчиняется закону Бойля-Мариотта:

PV= const.

Если применить этот закон к газу, объем и давление которого меняются так, как описано в работе, то получим

 (10.2)

где V0 - объем стеклянной колбы В между выбранными метками, м3; V1 - объем воздуха в баллоне А, м3; Р0 – атмосферное давление, Па;  h=H2-H1, м; g - удельный вес воды, g=9810 Н/м3.

Из выражения (10.2) следует

 (10.3)

Порядок выполнения работы

!!! ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ !!! Во избежание попадания воды в рабочий баллон А открывать кран К или откручивать крышку рабочего баллона разрешается только тогда, когда вспомогательный резервуар Р находится в крайнем нижнем положении. При открытом кране К поднимать резервуар Р следует медленно, учитывая, что уровень воды при этом поднимается с задержкой. Уровень воды в колбе В не должен подниматься выше самой этой колбы. Если в рабочий баллон, в котором находится ведерко с песком, попадет вода, то песок промокнет, перестав быть сыпучим телом. В этом случае песок может попасть вниз, в трубки, и вызвать их закупорку.

Перед началом измерений необходимо убедиться в герметичности установки. Для этого открывают кран К (вспомогательный резервуар должен быть внизу!), осторожно (медленно) устанавливают уровень воды на нижней метке колбы В, затем закрывают кран К, поднимают уровень воды до верхней метки и отмечают показание манометра М. Если уровень воды в манометре с течением времени заметно не изменяется, можно производить измерения.

При опущенном вспомогательном резервуаре открутите крышку рабочего баллона. В баллон А поставьте пустое ведерко (на ведерке снаружи не должно быть песчинок) и осторожно установите уровень воды на высоте верхней метки стеклянной колбы В. Кран К баллона А при этом открыт. Отметьте уровень Н1 в манометре М.

Уровень воды плавно понизьте до нижней метки колбы В, закройте кран К и вновь поднимите уровень воды в колбе В до верхней метки. При этом воздух из стеклянной колбы В перегоняется в баллон А, и давление в нем повышается. Уровень воды в манометре М поднимается до значения Н2.

По формуле (10.3) определите объем V1 воздуха в баллоне А, имея в виду, что h=Н2–Н1, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. Данные измерений и вычислений занесите в табл. 10.1.

Все измерения, указанные в пп. 1, 2, 3 повторите три раза и вычислите среднее значение V1ср.

При опущенном резервуаре Р открутите крышку баллона А. Поместите в баллон А ведерко с песком (на ведерке снаружи не должно быть песчинок) и повторите измерения, указанные в пп. 1, 2. Отметьте показания манометра М: Н1¢ при открытом кране и Н2¢ – при закрытом.

Зная h1=Н2¢-Н1¢, найдите по формуле (10.3) объем V1¢ воздуха в баллоне А с песком.

Все измерения, указанные в пп. 5, 6, повторите три раза и вычислите среднее значение V1¢ср. Данные всех измерений и вычислений занесите в табл. 10.1.

Взвесьте исследуемую порцию песка, определите массу m. Песок не высыпайте до конца работы.

Вычислите объем песка:

Vср=V1ср-V1¢ср.

По формуле (10.1) вычислите плотность песка.

 Таблица 10.1

пп.

Пустое ведро

Ведро, наполненное песком

Н1, м

Н2, м

V1, м3

V1ср, м3

Н1¢, м

Н2¢, м

V1¢, м3

V1¢ср, м3

Vср, м3

1

2

3

Техника безопасности

При выполнении работы необходимо соблюдать требования инструкции по технике безопасности в лаборатории механики и следить за тем, чтобы уровень воды в стеклянной колбе B не поднялся выше ее самой.

Контрольные вопросы

1. Какова размерность плотности в системе СИ?

2. Какая из приведенных формул соответствует закону Бойля-Мариотта:

PV=const; PVg=const; ?

3. Как выглядит график изотермического процесса в различных осях координат?

4. Как изменяется внутренняя энергия газа при изотермическом процессе?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособ. для втузов. – М.: Высш. шк., 1998, с. 83-84.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособ. для втузов. – М.: Высш. шк., 2000, с. 110-112.