Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: схема досліду
Закон Бойля - Маріотта стверджує, що тиск ідеальних газів за сталої температури T і водночас сталої кількості речовини обернено пропорційний до об'єму V.
Законом Бойля - Маріотта часто пояснюють, як працює дихальна система людини. Пояснюють це так: коли об'єм легень збільшується або зменшується, у легенях виникає відносно нижчий або вищий тиск повітря. Різниця тисків між повітрям у легенях і тиском повітря в довкіллі, що через це виникає, спричиняє вдих або видих.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають володіти попередніми знаннями про «закон Бойля - Маріотта».
Принцип
Треба дослідити, який зв'язок існує між тиском і об'ємом замкненого газу, коли його стискають.
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
У цьому досліді учні мають зрозуміти «закон Бойля - Маріотта». Учням слід показати або пояснити зв'язок між тиском і об'ємом замкненого газу.
Завдання
Учні мають спостерігати зміну тиску й об'єму, коли газ стискають. Так вони й відкриють зв'язок між тиском і об'ємом.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Закон БОЙЛЯ - МАРІОТТА задає зв'язок між тиском p і об'ємом V ідеального газу за сталої температури T газу.
Він має вигляд:
тобто що більший тиск, то менший об'єм, і навпаки.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Торсійний динамометр, 2 Н/4 Н | 03069-03 | 1 |
| 3 | Тримач для газових шприців на магнітному тримачі | 02156-00 | 1 |
| 4 | Газовий шприц, 100 мл, для системи зі скляною сорочкою | 02614-00 | 1 |
| 5 | Пластина поршня для газових шприців | 02618-00 | 1 |
| 6 | Заглушка (гумовий ковпачок), 20 шт. | 43903-01 | 1 |
| 7 | Контрольний важок, 1000 г, для перевірки та юстування терезів і вимірювальних приладів | 44096-70 | 1 |
| 8 | Контрольна гиря, 500 г, для перевірки та юстування ваг і вимірювальних приладів | 44096-50 | 1 |
| 9 | Контрольна гиря, 200 г, для перевірки та юстування ваг і вимірювальних приладів | 44096-20 | 1 |
| 10 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
Складання та виконання
Складання (1/2)
Складання та виконання (1/2)
- Постав тримач для газових шприців на демонстраційну дошку і затисни в ньому 50-мілілітровий газовий шприц без поршня так, щоб його шкала дивилася вперед (рис. 2).
- Виміряй торсійним динамометром силу тяжіння для поршня з поршневою пластиною і запиши .
- Всунь поршень із поршневою пластиною в циліндр шприца й тримай його так, щоб позначка на його нижньому кінці була точно на висоті позначки 50 мл лівої шкали на циліндрі.
- Надінь заглушку на носик шприца і запиши початковий об'єм у перший рядок таблиці 1.
Рис. 2
Складання (2/2)
Складання та виконання (2/2)
- Відпусти поршень і зчитай об'єм , який тепер має замкнений газ.
- Запиши у 2-й рядок таблиці 1. (Підказка: оскільки тертя між поршнем і циліндром усунути не вдається, доцільно врівноважити поршень, обережно порухавши його рукою, перш ніж зчитувати . Робити це треба швидко, бо особливо за більшого навантаження поршень сповзає - шприц не вдається зробити цілком герметичним. )
- Зніми заглушку, посунь поршень назад у вихідне положення й навантаж його важком масою .
- Надінь заглушку на носик, відпусти поршень і визнач , як і раніше. Запиши і .
- Навантажуй поршень важками різної маси , так само визначай щоразу об'єм і записуй значення та .
Виконання (1/2)
Спостереження
| 0 | 50 | 0,00 | 0,0 | 10,1 | 505 |
| 0 | 49 | 0,00 | 0,0 | 10,3 | 505 |
| 200 | 47 | 1,96 | 0,4 | 10,7 | 503 |
| 500 | 44 | 4,90 | 1,0 | 11,3 | 497 |
| 700 | 43 | 6,86 | 1,4 | 11,6 | 503 |
| 1000 | 41 | 9,80 | 2,0 | 12,3 | 504 |
| 1200 | 40 | 11,76 | 2,4 | 12,7 | 508 |
| 1500 | 38 | 14,70 | 3,0 | 13,3 | 505 |
Таблиця 1
Опрацювання результатів (1/3)
Опрацювання результатів (1/2)
У стовпець 3 таблиці 1 записують сили тяжіння , що відповідають масам ms, якими щоразу навантажували поршень. Звідси дістаємо тиск: (стовпець 4). Площу поперечного перерізу поршня A задають або знаходять вимірюванням і обчисленням: .
Тепер треба обчислити тиск, який панує в замкненому газі: , де = зовнішній атмосферний тиск; для нього в межах точності вимірювання можна взяти значення нормального тиску (10,13 Н/см2), тобто ; тиск, створюваний поршнем із поршневою пластиною, тобто
Опрацювання результатів (2/3)
Опрацювання результатів (2/2)
Із 2-го та 5-го стовпців таблиці 1 видно, що, як і очікувалося, об'єм V зменшується, коли тиск зростає. Можна припустити, що p і V обернено пропорційні одне одному. Тоді добуток мав би мати сталу величину. Обчислення добутків підтверджує це припущення в межах точності вимірювання (див. таблицю 1, останній стовпець). Отже, для замкненого газу справджується:
або загалом
Цей закон, який називають законом Бойля - Маріотта, справджується за умови, що температура T газу під час стискання лишається сталою, - у досліді це здебільшого забезпечено.
Опрацювання результатів (3/3)
Зауваження
Дослід не вдасться, якщо між поршнем і циліндром газового шприца є помітне тертя або поршень погано прилягає. Тоді допоможе ретельне очищення знежирювальною рідиною, наприклад спиртом, і змащування поршня мастилом, наприклад гліцерином.