1. Приготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
2. Измерьте длину узкой трубки l и выразите объем воздуха в ней в условных единицах объема (пусть каждый миллиметр длины трубки соответствует единице объема). Давление воздуха в трубке равно атмосферному. Определите его по барометру.
3. Погрузите трубку в сосуд с горячей водой. Через 1–2 мин воздух в трубке прогреется до температуры воды. Характерным признаком равенства температур воды и воздуха в трубке будет прекращение выделения воздушных пузырьков из нижнего конца погруженной в воду трубки. Измерьте температуру воды. Результаты измерений объема, давления и температуры, выраженной в единицах абсолютной шкалы, запишите в таблицу.
| Состояние газа | p, мм рт. ст. | V, усл. ед. | Т, °С | Т, К | 
|
4. Выньте трубку из горячей воды и погрузите в сосуд с холодной водой открытым концом вниз. При погружении температура воздуха в трубке, ее объем и давление изменятся.
5. Спустя 1–2 мин измерьте температуру холодной воды и объем воздуха в трубке. Чтобы определить давление воздуха в этом состоянии, следует к атмосферному давлению прибавить давление столба воды, которое определяется его высотой h от поверхности воды до ее уровня в трубке. Давление следует выразить в миллиметрах ртутного столба. (Давление 1 мм рт. ст. равно давлению 13,6 мм вод. ст.) Поэтому 
, где h выражено в миллиметрах. Температуру выразите в единицах абсолютной шкалы. Результаты измерений запишите в таблицу.
6. Выньте трубку из холодной воды, вытряхните из нее воду. Так как за время проведения эксперимента горячая вода несколько остыла, проведите опыт еще раз для других значений температуры.
|
|
7. Для каждого состояния вычислите произведение давления на объем, деленное на температуру.
8. Определите относительную и абсолютную погрешности, последнюю сравните с разностью полученных результатов.
Контрольные вопросы
1. результаты вычислений величины, приведенной в последней графе таблицы, оказались неодинаковыми. При каком условии это не противоречит утверждению о ее постоянстве?
2. Укажите погрешности, ухудшающие результат, которые трудно учесть при выполнении работы.
Лабораторная работа №5-III
Оценка средней скорости
теплового движения молекул газа
Цель работы: оценить среднюю скорость теплового движения молекул газа по реактивному действию газовой струи, принимая, что молекулы газа вылетают из сосуда с этой скоростью.
Оборудование: пластмассовый баллон из-под шампуня, штатив, резиновая пробка со шлангом, весы, гири, насос, манометр, линейка демонстрационная длиной 2,5 м.
Содержание и метод выполнения работы
Одно из основных свойств вещества в газообразном состоянии – это способность неограниченно расширяться и занимать любой предоставленный ему объем. Используя способность газа к неограниченному расширению, можно оценить приблизительно скорость теплового движения его молекул.
Если в сосуде, заполненном газом, имеется отверстие, то молекулы газа будут вылетать из него с теми самыми скоростями, с какими они движутся внутри сосуда. Можно считать, что скорость истечения газовой струи из сосуда в вакууме примерно равна средней скорости теплового движения молекул.
|
|
Истечение газовой струи приводит к возникновению реактивной силы. Если сосуд не связан с другими телами, то в результате истечения газа он, как ракета, движется в противоположном направлении. По закону сохранения импульса можно записать:
,
где m – масса газа, вышедшего из сосуда, 
– скорость истечения газовой струи, m c – масса баллона, 
– скорость движения баллона.
Для оценки скорости v истечения газовой струи нужно измерить начальную скорость u движения сосуда-«ракеты», его массу m c и массу m газа:
. (1)
В качестве сосуда можно взять пластмассовую бутылку из-под шампуня. Бутылку следует насадить на резиновую пробку с отверстием с таким усилием, чтобы она слетала с пробки при избыточном давлении около 105 Па.
Пробку с помощью шлангов соединяют с насосом и манометром, закрепляют пробку в лапке штатива и насаживают на нее пластмассовую бутылку (см. рисунок). Накачивая воздух в бутылку, постепенно повышают давление в ней. Когда бутылка взлетает вертикально вверх, из нее выходит воздух до тех пор, пока давление оставшегося в ней воздуха не понизится до атмосферного. Массу m выходящего из «ракеты» воздуха можно найти из уравнения Клайперона – Менделеева:
, (2)
где 
– избыточное давление воздуха в сосуде, измеренное манометром, V – объем бутылки, M – молярная масса газа, Т – его температура.
Отсюда масса m вышедшего воздуха равна:
. (3)
Начальную скорость u «ракеты» можно найти по высоте ее подъема:
. (4)