Інформація для вчителів
Опис
Нагрівання об'єму повітря може призвести як до збільшення об'єму, так і до підвищення тиску. У цьому експерименті тиск необхідно підтримувати постійним, щоб спостерігати збільшення об'єму.
Експериментальна установка
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Обов'язковою умовою є безпечне поводження з пальником Бунзена.
Принцип
Нагрівання речовин може призвести як до збільшення об'єму при постійному тиску, так і до збільшення тиску при постійному об'ємі. Гази при нагріванні розширюються більше, ніж рідини. У цьому експерименті учні спостерігають розширення об'єму повітря при незмінному тиску.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Необхідно продемонструвати та виміряти розширення повітря під час нагрівання. Крім того, цей процес можна охарактеризувати, визначивши коефіцієнт об'ємного розширення повітря.
Завдання
Учні нагрівають повітря в закритій системі (колбі Ерленмейєра) і підтримують постійний тиск за допомогою манометра. Розширення нагрітого повітря вимірюється за рівнем води на манометрі, щоб обчислити залежність між температурою та об'ємом повітря.
У додатковому завданні визначається коефіцієнт об'ємного розширення і порівнюється з величиною, оберненою абсолютній температурі.
Інструкції з техніки безпеки
Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Щоб полегшити вставлення термометрів і скляних пробірок у пробки та уникнути травм уламками скла, скляні деталі необхідно попередньо натерти невеликою кількістю гліцерину. Перед вимірюваннями необхідно видалити надлишки гліцерину, інакше він може вплинути на поведінку речовин, що аналізуються.
Інформація про учнів
Інформація для учнів
Мотивація
Чому велосипедні шини іноді лопаються в спекотний літній день?
Коли газ (повітря - це суміш газів) нагрівається, то він, якщо може, розширюється. При цьому об'єм повітря збільшується, і воно займає більше місця. Однак внутрішня камера велосипеда може вміщати тільки обмежену кількість повітря, і якщо об'єм повітря стає занадто великим, камера може лопнути.
Часто шини накачуються туго в прохолодному підвалі, але потім, потрапляючи на спекотне сонце, лопаються.
Спущена шина велосипеда
Завдання
Виміряйте розширення об'єму повітря, коли воно нагрівається, а тиск залишається постійним (дорівнює тиску зовнішнього повітря). Побудуйте графік залежності об'єму повітря від температури та зробіть висновок про зв'язок між об'ємом і температурою повітря.
У додатковому завданні необхідно визначити коефіцієнт об'ємного розширення повітря.
Експериментальна установка
Обладнання
Додаткові матеріали
№ матеріал кількість
1 Ножиці 1
2 Сірники 1
3 Фломастер 1
Підготовка (1/6)
- Помістіть пальник Бунзена в підставку пальника і встановіть його так, щоб він не хитався (рис. 1 + 2).
- З'єднайте дві половинки основи штатива за допомогою короткого штативного стрижня (рис. 3).
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Підготовка (2/6)
3. Скрутіть разом половинки двох довгих штативних стрижнів (рис. 4).
4. Прикріпіть штативні стрижні до половинок основи штатива і зафіксуйте їх на місці за допомогою гвинтів (рис. 5).
5. Прикріпіть один над іншим до штативного стрижня кільцевий тримач із дротяною сіткою та універсальний затискач за допомогою подвійної муфти (рис. 6).
6. Встановіть під дротяну сітку газовий пальник і прикріпіть до другого штативного стрижня тримач скляних трубок (рис. 7)
Рис. 4
Рис. 6
Рис. 5
Рис. 7
Підготовка (3/6)
7. Прикріпіть рулетку до тримача для скляних трубок (рис. 8).
8. Зберіть U-подібний манометр із двох скляних трубок завдовжки 250 мм і шматка силіконової трубки (завдовжки приблизно 50 см) і закріпіть його в тримачі для скляних трубок зніжкамирізної висоти (рис. 9 + 10).
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 10
Підготовка (4/6)
Рис. 11
Рис. 12
9. Вставте маленьку скляну трубку в гумову пробку і обережно закрийте колбу Ерленмейєра пробкою (рис. 11 + 12).
10. За допомогою маленької мензурки наповнюйте манометр доти, доки стовпчик води в ніжці був трохи нижче скляної трубки (приблизно на 0,5 см) (рис. 13).
Рис. 13
Підготовка (5/6)
11. Помістіть колбу Ерленмейєра в мензурку об'ємом 400 мл і закріпіть її універсальним затискачем так, щоб вона перебувала якомога глибше (рис. 14).
12. Потім повністю наповніть водою мензурку об'ємом 400 мл (рис. 15).
Рис. 14
Рис. 15
Підготовка (6/6)
Рис. 16
13. З'єднайте скляну трубку в пробці за допомогою силіконової трубки (довжиною близько 50 см) до ніжки манометра (рис. 16).
14. Готова експериментальна установка має виглядати так, як показано на рисунку праворуч.
Виконання роботи (1/3)
1. Запишіть початкову температуру води в мензурці в таблицю в протоколі.
2. Встановіть рівні води на однакову висоту в ніжках и (тиск у колбі Ерленмейера дорівнює зовнішньому тиску повітря) (рис. 17).
3. Відмітьте рівень води у ніжці фломастером (рис. 18).
Рис. 17
Рис. 18
Виконання роботи (2/3)
4. Нагрійте воду на короткий час (прибл. 15 с), а потім зніміть пальник (температура має підвищитися лише на 1 °C, якщо це можливо).
5. Обережно перемішуйте воду протягом приблизно 1-2 хвилин, щоб повітря в колбі Ерленмейєра набуло температури води (рис. 19).
6. Запишіть значення температури води в таблицю в протоколі.
Увага!Коли вода нагрівається, кільце штатива і дротяна сітка стають дуже гарячими!
Рис. 19
Виконання роботи (3/3)
7. Установіть рівень води на обох ніжках манометра на однакову висоту (опустіть ніжку вниз).
8. Виміряйте відстань на ділянці від позначки до рівня води і запишіть їх у таблицю (рис. 20).
9. Продовжуйте нагрівати повітря з кроком в 1°C і визначте подальші значення для в залежності від температури.
Рис. 20
Протокол
Спостереження
Яка початкова температура ϑ_0 (°C)?
Результати (1/2)
1. Запишіть виміряні значення у таблицю.
2. Обчисліть різницю температур і введіть її в таблицю.
3. Знайдіть і введіть зміну об'єму запишіть його в таблицю, де = 0,5 см - внутрішній діаметр скляної трубки.
Результати (2/2)
ϑ0+7(°C)
ϑ=55°C : Δl(см)
ϑ=55°C : Δϑ(C°)
ϑ=55°C : ΔV(см³)
ϑ0+1(°C)
ϑ=25°C : Δl(см)
ϑ=25°C : Δϑ(C°)
ϑ=25°C : ΔV(см³)
ϑ0+8(°C)
ϑ=60°C : Δl(см)
ϑ=60°C : Δϑ(C°)
ϑ=60°C : ΔV(см³)
ϑ0+2(°C)
ϑ=30°C : Δl(см)
ϑ=30°C : Δϑ(C°)
ϑ=30°C : ΔV(см³)
ϑ0+9(°C)
ϑ=65°C : Δl(см)
ϑ=65°C : Δϑ(C°)
ϑ=65°C : ΔV(см³)
ϑ0+3(°C)
ϑ=35°C : Δl(см)
ϑ=35°C : Δϑ(C°)
ϑ=35°C : ΔV(см³)
ϑ0+10(°C)
ϑ=70°C : Δl(см)
ϑ=70°C : Δϑ(C°)
ϑ=70°C : ΔV(см³)
ϑ0+4(°C)
ϑ=40°C : Δl(см)
ϑ=40°C : Δϑ(C°)
ϑ=40°C : ΔV(см³)
ϑ0+5(°C)
ϑ=45°C : Δl(см)
ϑ=45°C : Δϑ(C°)
ϑ=45°C : ΔV(см³)
ϑ0+6(°C)
ϑ=50°C : Δl(см)
ϑ=50°C : Δϑ(C°)
ϑ=50°C : ΔV(см³)
Завдання 1
Накресліть на аркуші паперу систему координат за зразком, наведеним нижче, і нанесіть на графік виміряні значення и .
Завдання 2
Визначте об'єм повітря V_0 у колбі Ерленмейєра (до пробки), наповнюючи її водою (мл).
Завдання 3
Розширення повітря при постійному тиску описується за формулою:
.
Обчисліть коефіцієнт об'ємного розширення за виміряними значеннями на діаграмі:
Завдання 4
Питання
Завдання 5
Питання
Завдання 6
Питання
Який зв'язок між числовими значеннями и ?
Завдання 7
Питання