(cantitatea de căldură transferată lichidului când este încălzit)
1. Sistem de acțiuni pentru obținerea și prelucrarea rezultatelor măsurării timpului de încălzire a unui lichid la o anumită temperatură și modificarea temperaturii lichidului:
1) verificați dacă trebuie introdusă o modificare; dacă da, atunci introduceți un amendament;
2) stabiliți câte măsurători ale unei cantități date trebuie făcute;
3) întocmește un tabel pentru înregistrarea și prelucrarea rezultatelor observațiilor;
4) efectuați un număr stabilit de măsurători ale unei valori date; înregistrați rezultatele observației într-un tabel;
5) găsiți valoarea măsurată a mărimii ca medie aritmetică a rezultatelor observațiilor individuale, ținând cont de regula cifrei de rezervă:
6) calculați abaterile absolute ale rezultatelor măsurătorilor individuale de la medie:
7) găsiți eroarea aleatorie;
8) găsiți eroarea instrumentală;
9) găsiți eroarea de citire;
10) găsiți eroarea de calcul;
11) găsiți eroarea absolută totală;
12) notează rezultatul indicând eroarea absolută totală.
2. Sistem de acțiuni pentru construirea unui grafic de dependență Δ t = f(Δ τ ):
1) desenați axele de coordonate; Axa absciselor este desemnată Δ τ , Cu, iar axa ordonatelor este Δ t, 0 C;
2) selectați scale pentru fiecare dintre axe și marcați scalele pe axe;
3) descrieți intervalele de valori Δ τ şi Δ t pentru fiecare experiență;
4) trageți o linie netedă, astfel încât să curgă în interiorul intervalelor.
3. OG nr. 1 – apă cântărind 100 g la o temperatură inițială de 18 0 C:
1) pentru măsurarea temperaturii vom folosi un termometru cu o scară de până la 100 0 C; Pentru a măsura timpul de încălzire vom folosi un cronometru mecanic de șaizeci de secunde. Aceste instrumente nu necesită corecții;
2) la măsurarea timpului de încălzire la o temperatură fixă, sunt posibile erori aleatorii. Prin urmare, vom efectua 5 măsurători ale intervalelor de timp atunci când sunt încălzite la aceeași temperatură (în calcule, aceasta va tripla eroarea aleatorie). Nu s-au găsit erori aleatorii la măsurarea temperaturii. Prin urmare, vom presupune că eroarea absolută de determinare t, 0 C este egal cu eroarea instrumentală a termometrului utilizat, adică prețul de împărțire a scalei 2 0 C (Tabelul 3);
3) creați un tabel pentru înregistrarea și procesarea rezultatelor măsurătorilor:
| Experienta nr. | |||||||
| Δt, 0 C | 18 ± 2 | 25 ± 2 | 40 ± 2 | 55 ± 2 | 70 ± 2 | 85 ± 2 | 100 ± 2 |
| τ 1 , s | 29,0 | 80,0 | 145,0 | 210,0 | 270,0 | 325,0 | |
| t2, s | 25,0 | 90,0 | 147,0 | 205,0 | 265,0 | 327,0 | |
| t3, s | 30,0 | 85,0 | 150,0 | 210,0 | 269,0 | 330,0 | |
| t4, s | 27,0 | 89,0 | 143,0 | 202,0 | 272,0 | 330,0 | |
| t5, s | 26,0 | 87,0 | 149,0 | 207,0 | 269,0 | 329,0 | |
| t avg, s | 27,4 | 86,2 | 146,8 | 206,8 | 269,0 | 328,2 |
4) rezultatele măsurătorilor sunt introduse în tabel;
5) media aritmetică a fiecărei măsurători τ calculat și indicat în ultimul rând al tabelului;
pentru temperatura 25 0 C:
7) găsiți eroarea aleatorie de măsurare:
8) în fiecare caz, găsim eroarea instrumentală a cronometrului ținând cont de cercurile complete realizate de mâna a doua (adică dacă un cerc complet dă o eroare de 1,5 s, atunci o jumătate de cerc dă 0,75 s, iar 2,3 s). cercuri - 3,45 s) . În primul experiment Δ t si= 0,7 s;
9) luăm eroarea de numărare a unui cronometru mecanic egală cu o împărțire a scalei: Δ la= 1,0 s;
10) eroare de calcul în în acest caz, egal cu zero;
11) calculați eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 4,44 + 0,7 + 1,0 + 0 = 6,14 s ≈ 6,1 s;
(aici rezultatul final este rotunjit la o cifră semnificativă);
12) notați rezultatul măsurării: t= (27,4 ± 6,1) s
6 a) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 40 0 C:
Δ t si= 2,0 s;
la= 1,0 s;
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 8,88 + 2,0 + 1,0 + 0 = 11,88 s ≈ 11,9 s;
t= (86,2 ± 11,9) s
pentru temperatura 55 0 C:
Δ t si= 3,5 s;
la= 1,0 s;
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 6,72 + 3,5 + 1,0 + 0 = 11,22 s ≈ 11,2 s;
t= (146,8 ± 11,2) s
pentru temperatura 70 0 C:
Δ t si= 5,0 s;
la= 1,0 s;
Δ t= Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 7,92 + 5,0 + 1,0 + 0 = 13,92 s ≈ 13,9 s;
12 c) notează rezultatul măsurării: t= (206,8 ± 13,9) s
pentru temperatura 85 0 C:
Δ t si= 6,4 s;
9 d) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δt o = 1,0 s;
Δt = Δt C + Δt și + Δt 0 + Δt B = 4,8 + 6,4 + 1,0 + 0 = 12,2 s;
t= (269,0 ± 12,2) s
pentru temperatura 100 0 C:
Δ t si= 8,0 s;
la= 1,0 s;
10 e) eroarea de calcul în acest caz este zero;
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 5,28 + 8,0 + 1,0 + 0 = 14,28 s ≈ 14,3 s;
t= (328,2 ± 14,3) s.
Prezentăm rezultatele calculului sub forma unui tabel, care arată diferențele dintre temperaturile finale și inițiale din fiecare experiment și timpul de încălzire a apei.
4. Să reprezentăm grafic dependența schimbării temperaturii apei de cantitatea de căldură (timp de încălzire) (Fig. 14). La construcție, în toate cazurile este indicat intervalul de eroare în măsurarea timpului. Grosimea liniei corespunde erorii de măsurare a temperaturii.
Orez. 14. Graficul variației temperaturii apei în funcție de timpul de încălzire a acesteia
5. Stabilim ca graficul obtinut este asemanator unui grafic de proportionalitate directa y=kx. Valoarea coeficientului kîn acest caz nu este greu de determinat din grafic. Prin urmare, putem scrie în sfârșit Δ t= 0,25A τ . Din graficul trasat putem concluziona că temperatura apei este direct proporțională cu cantitatea de căldură.
6. Repetați toate măsurătorile pentru OR nr. 2 – ulei de floarea soarelui
.
Ultimul rând din tabel arată rezultatele medii.
| t, 0 C | 18 ± 2 | 25 ± 2 | 40 ± 2 | 55 ± 2 | 70 ± 2 | 85 ± 2 | 100 ± 2 |
| t 1, c | 10,0 | 38,0 | 60,0 | 88,0 | 110,0 | 136,0 | |
| t 2, c | 11,0 | 36,0 | 63,0 | 89,0 | 115,0 | 134,0 | |
| t 3, c | 10,0 | 37,0 | 62,0 | 85,0 | 112,0 | 140,0 | |
| t 4, c | 9,0 | 38,0 | 63,0 | 87,0 | 112,0 | 140,0 | |
| t 5, c | 12,0 | 35,0 | 60,0 | 87,0 | 114,0 | 139,0 | |
| t avg, c | 10,4 | 36,8 | 61,6 | 87,2 | 112,6 | 137,8 |
6) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 25 0 C:
1) găsiți eroarea de măsurare aleatorie:
2) găsim eroarea instrumentală a cronometrului în fiecare caz la fel ca în prima serie de experimente. În primul experiment Δ t si= 0,3 s;
3) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic este luată egală cu o împărțire a scalei: Δ la= 1,0 s;
4) eroarea de calcul în acest caz este zero;
5) calculați eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 2,64 + 0,3 + 1,0 + 0 = 3,94 s ≈ 3,9 s;
6) notează rezultatul măsurării: t= (10,4 ± 3,9) s
6 a) Calculăm abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 40 0 C:
7 a) găsim eroarea de măsurare aleatorie:
8 a) eroare instrumentală a cronometrului în al doilea experiment
Δ t si= 0,8 s;
9 a) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δ la= 1,0 s;
10 a) eroarea de calcul în acest caz este zero;
11 a) calculați eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 3,12 + 0,8 + 1,0 + 0 = 4,92 s ≈ 4,9 s;
12 a) notați rezultatul măsurării: t= (36,8 ± 4,9) s
6 b) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 55 0 C:
7 b) găsim eroarea de măsurare aleatorie:
8 b) eroare instrumentală a cronometrului în acest experiment
Δ t si= 1,5 s;
9 b) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δ la= 1,0 s;
10 b) eroarea de calcul în acest caz este zero;
11 b) calculați eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 3,84 + 1,5 + 1,0 + 0 = 6,34 s ≈ 6,3 s;
12 b) notați rezultatul măsurării: t= (61,6 ± 6,3) s
6 c) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 70 0 C:
7 c) găsim eroarea de măsurare aleatorie:
8 c) eroare instrumentală a cronometrului în acest experiment
Δ t si= 2,1 s;
9 c) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δ la= 1,0 s;
10 c) eroarea de calcul în acest caz este zero;
11 c) calculați eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 2,52 + 2,1 + 1,0 + 0 = 5,62 s ≈ 5,6 s;
12 c) notează rezultatul măsurării: t= (87,2 ± 5,6) s
6 d) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 85 0 C:
7 d) găsim eroarea de măsurare aleatorie:
8 d) eroare instrumentală a cronometrului în acest experiment
Δ t si= 2,7 s;
9 d) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δ la= 1,0 s;
10 d) eroarea de calcul în acest caz este zero;
11 d) calculăm eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 4,56 + 2,7 + 1,0 + 0 = 8,26 s ≈ 8,3;
12 d) notați rezultatul măsurării: t= (112,6 ± 8,3) s
6 e) calculați abaterile absolute ale rezultatelor observațiilor individuale de la medie pentru temperatura 100 0 C:
7 e) găsim eroarea de măsurare aleatorie:
8 d) eroare instrumentală a cronometrului în acest experiment
Δ t si= 3,4 s;
9 d) eroarea de numărare a unui cronometru mecanic Δ la= 1,0 s;
10 e) eroarea de calcul în acest caz este zero.
11 e) se calculează eroarea absolută totală:
Δ t = Δ t C + Δ t si + Δ t 0 + Δ tB= 5,28 + 3,4 + 1,0 + 0 = 9,68 s ≈ 9,7 s;
12 d) notați rezultatul măsurării: t= (137,8 ± 9,7) s.
Prezentăm rezultatele calculului sub forma unui tabel, care arată diferențele dintre temperaturile finale și inițiale din fiecare experiment și timpul de încălzire a uleiului de floarea soarelui.
7. Să graficăm dependența schimbării temperaturii uleiului de timpul de încălzire (Fig. 15). La construcție, în toate cazurile este indicat intervalul de eroare în măsurarea timpului. Grosimea liniei corespunde erorii de măsurare a temperaturii.
Orez. 15. Graficul variației temperaturii apei în funcție de timpul de încălzire a acesteia
8. Graficul construit este similar cu un grafic proporțional direct y=kx. Valoarea coeficientului kîn acest caz nu este greu de găsit din grafic. Prin urmare, putem scrie în sfârșit Δ t= 0,6A τ .
Din graficul reprezentat putem concluziona că temperatura uleiului de floarea soarelui este direct proporțională cu cantitatea de căldură.
9. Formulăm răspunsul la PP: temperatura lichidului este direct proporțională cu cantitatea de căldură primită de organism atunci când este încălzit.
Exemplul 3. PZ: setați tipul de dependență a tensiunii de ieșire față de rezistor R n pe valoarea rezistenței echivalente a secțiunii circuitului AB (problema este rezolvată într-o configurație experimentală, schema circuitului care este prezentat în Fig. 16).
Pentru a rezolva această problemă, trebuie să faceți următoarele:
1. Creați un sistem de acțiuni pentru obținerea și prelucrarea rezultatelor măsurării rezistenței echivalente a unei secțiuni de circuit și a tensiunii la sarcină R n(a se vedea clauza 2.2.8 sau clauza 2.2.9).
2. Creați un sistem de acțiuni pentru a reprezenta grafic dependența tensiunii de ieșire (de rezistor R n) din rezistența echivalentă a secțiunii de circuit AB.
3. Selectați OP No. 1 – zonă cu o anumită valoare R n1și finalizați toate acțiunile planificate la pașii 1 și 2.
4. Selectați o dependență funcțională cunoscută în matematică, al cărei grafic este similar cu curba experimentală.
5. Scrieți matematic această relație funcțională pentru sarcină R n1și să formuleze pentru ea un răspuns la sarcina cognitivă dată.
6. Selectați OP No. 2 – secțiunea aeronavei cu o valoare de rezistență diferită R n2și efectuează același sistem de acțiuni cu acesta.
7. Selectați o dependență funcțională cunoscută în matematică, al cărei grafic este similar cu curba experimentală.
8. Scrieți matematic această relație funcțională pentru rezistență R n2și formulați pentru el un răspuns la sarcina cognitivă dată.
9. Formulați relația funcțională dintre mărimi într-o formă generalizată.
Raport privind identificarea tipului de dependență a tensiunii de ieșire de rezistență R n din rezistența echivalentă a secțiunii circuitului AB
(furnizat într-o versiune prescurtată)
Variabila independentă este rezistența echivalentă a secțiunii circuitului AB, care este măsurată folosind un voltmetru digital conectat la punctele A și B ale circuitului. Măsurătorile au fost efectuate la o limită de 1000 ohmi, adică precizia măsurării este egală cu valoarea cifrei celei mai puțin semnificative, care corespunde cu ±1 ohm.
Variabila dependentă a fost valoarea tensiunii de ieșire luată pe rezistența de sarcină (punctele B și C). La fel de instrument de masurare a fost folosit un voltmetru digital cu o descărcare minimă de sutimi de volt.
Orez. 16. Diagrama unui montaj experimental pentru studierea tipului de dependență a tensiunii de ieșire de valoarea rezistenței circuitului echivalent
Rezistența echivalentă a fost modificată folosind tastele Q 1, Q 2 și Q 3. Pentru comoditate, vom nota starea de pornire a tastei ca „1”, iar starea oprită ca „0”. În acest lanț sunt posibile doar 8 combinații.
Pentru fiecare combinație, tensiunea de ieșire a fost măsurată de 5 ori.
Următoarele rezultate au fost obținute în timpul studiului:
| Numărul de experiență | Starea cheii | Rezistență echivalentă R E, Ohm | Tensiune de iesire, ieși, IN | |||||
| U 1,ÎN | U 2, IN | U 3, IN | U 4, IN | U 5, IN | ||||
| Q 3 Q 2 Q 1 | ||||||||
| 0 0 0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 0 0 1 | 800 ± 1 | 1,36 | 1,35 | 1,37 | 1,37 | 1,36 | ||
| 0 1 0 | 400 ± 1 | 2,66 | 2,67 | 2,65 | 2,67 | 2,68 | ||
| 0 1 1 | 267 ± 1 | 4,00 | 4,03 | 4,03 | 4,01 | 4,03 | ||
| 1 0 0 | 200 ± 1 | 5,35 | 5,37 | 5,36 | 5,33 | 5,34 | ||
| 1 0 1 | 160 ± 1 | 6,70 | 6,72 | 6,73 | 6,70 | 6,72 | ||
| 1 1 0 | 133 ± 1 | 8,05 | 8,10 | 8,05 | 8,00 | 8,10 | ||
| 1 1 1 | 114 ± 1 | 9,37 | 9,36 | 9,37 | 9,36 | 9,35 |
Rezultatele prelucrării experimentale a datelor sunt prezentate în următorul tabel:
| № | Q 3 Q 2 Q 1 | R E, Ohm | U avg, IN | U avg.înv. , IN | Δ U avg, IN | Δ U și, IN | Δ U o, IN | Δ U in, IN | Δ U, IN | U, IN |
| 0 0 0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,02 | 0,00±0,02 | ||
| 0 0 1 | 800±1 | 1,362 | 1,36 | 0,0192 | 0,01 | 0,01 | 0,002 | 0,0412 | 1,36±0,04 | |
| 0 1 0 | 400±1 | 2,666 | 2,67 | 0,0264 | 0,01 | 0,01 | 0,004 | 0,0504 | 2,67±0,05 | |
| 0 1 1 | 267±1 | 4,02 | 4,02 | 0,036 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,056 | 4,02±0,06 | |
| 1 0 0 | 200±1 | 5,35 | 5,35 | 0,036 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,056 | 5,35±0,06 | |
| 1 0 1 | 160±1 | 6,714 | 6,71 | 0,0336 | 0,01 | 0,01 | 0,004 | 0,0576 | 6,71±0,06 | |
| 1 1 0 | 133±1 | 8,06 | 8,06 | 0,096 | 0,01 | 0,01 | 0,00 | 0,116 | 8,06±0,12 | |
| 1 1 1 | 114±1 | 9,362 | 9,36 | 0,0192 | 0,01 | 0,01 | 0,002 | 0,0412 | 9,36±0,04 |
Reprezentăm grafic dependența tensiunii de ieșire de valoarea rezistenței echivalente U = f(R E).
La trasarea unui grafic, lungimea liniei corespunde erorii de măsurare Δ U, individual pentru fiecare experiment (eroare maximă Δ U= 0,116 V, ceea ce corespunde la aproximativ 2,5 mm pe grafic la scara selectată). Grosimea liniei corespunde erorii de măsurare a rezistenței echivalente. Graficul rezultat este prezentat în Fig. 17.
Orez. 17. Graficul tensiunii de ieșire
din valoarea rezistenței echivalente din secțiunea AB
Graficul seamănă cu un grafic invers proporțional. Pentru a verifica acest lucru, să reprezentăm grafic dependența tensiunii de ieșire de inversul rezistenței echivalente U = f(1/R E), adică de la conductivitate σ lanţuri. Pentru comoditate, prezentăm datele pentru acest grafic sub forma următorului tabel:
Graficul rezultat (Fig. 18) confirmă ipoteza făcută: tensiunea de ieșire la rezistența de sarcină R n1 invers proporțional cu rezistența echivalentă a secțiunii circuitului AB: U = 0,0017/R E.
Selectăm un alt obiect de studiu: OI Nr. 2 – o altă valoare a rezistenței la sarcină R n2, și efectuați toate aceleași acțiuni. Obținem un rezultat similar, dar cu un coeficient diferit k.
Formulăm răspunsul la PZ: tensiunea de ieșire peste rezistența de sarcină R n invers proporțional cu valoarea rezistenței echivalente a unei secțiuni de circuit format din trei conductoare conectate în paralel, care pot fi conectate într-una din opt combinații.
Orez. 18. Graficul dependenței tensiunii de ieșire de conductivitatea secțiunii circuitului AB
Rețineți că schema luată în considerare este convertor digital-analogic (DAC) – un dispozitiv care convertește un cod digital (în acest caz, binar) într-un semnal analogic (în acest caz, în tensiune).
Planificarea activităților pentru rezolvarea problemei cognitive nr. 4
Determinarea experimentală a unei valori specifice a unui anumit cantitate fizica(rezolvarea problemei cognitive nr. 4) poate fi realizată în două situații: 1) metoda de găsire a mărimii fizice specificate este necunoscută și 2) metoda de găsire a acestei mărimi a fost deja dezvoltată. În prima situație, este nevoie de a dezvolta o metodă (sistem de acțiuni) și de a selecta echipamente pentru implementarea sa practică. În a doua situație, este necesar să se studieze această metodă, adică să se afle ce echipament ar trebui utilizat pentru implementarea practică a acestei metode și care ar trebui să fie sistemul de acțiuni, a cărui implementare secvențială va permite obținerea unui valoarea specifică a unei anumite valori în situație specifică. Comun ambelor situații este exprimarea mărimii dorite în termeni de alte mărimi, a căror valoare poate fi găsită prin măsurare directă. Ei spun că în acest caz o persoană efectuează o măsurătoare indirectă.
Valorile obținute prin măsurare indirectă sunt inexacte. Acest lucru este de înțeles: ele sunt găsite pe baza rezultatelor măsurătorilor directe, care sunt întotdeauna inexacte. În acest sens, sistemul de acțiuni pentru rezolvarea problemei cognitive nr. 4 trebuie să includă în mod necesar acțiuni de calculare a erorilor.
Pentru a găsi erori în măsurătorile indirecte, au fost dezvoltate două metode: metoda limitelor de eroare și metoda limitelor. Să luăm în considerare conținutul fiecăruia dintre ele.
Metoda limitelor de eroare
Metoda limitelor de eroare se bazează pe diferențiere.
Fie cantitatea măsurată indirect la este o funcție a mai multor argumente: y = f(X 1, X 2, …, X N).
Cantitati X 1, X 2, ..., X n măsurată prin metode directe cu erori absolute Δ X 1,Δ X 2,...,Δ X N. Ca urmare, valoarea la va fi găsit și cu o eroare Δ u.
De obicei Δ X 1<< Х 1, Δ X 2<< Х 2 , …, Δ X N<< Х n , Δ y<< у. Prin urmare, putem merge la cantități infinitezimale, adică înlocuim Δ X 1,Δ X 2,...,Δ XN,Δ y diferenţialele lor dХ 1, dХ 2, ..., dХ N, dy respectiv. Apoi eroarea relativă
eroarea relativă a unei funcții este egală cu diferența logaritmului ei natural.
În partea dreaptă a egalității, în loc de diferențe de cantități variabile, erorile lor absolute sunt înlocuite, iar în loc de cantitățile în sine, valorile lor medii sunt înlocuite. Pentru a determina limita superioară a erorii, însumarea algebrică a erorilor este înlocuită cu însumarea aritmetică.
Cunoscând eroarea relativă, găsiți eroarea absolută
Δ la= ε tu,
unde în loc de laînlocuiți valoarea obținută în urma măsurării
U ism = f (<X 1>, <Х 2 >, ..., <Х n > ).
Toate calculele intermediare sunt efectuate conform regulilor calculelor aproximative cu o cifră de rezervă. Rezultatul final și erorile sunt rotunjite conform regulilor generale. Răspunsul este scris sub formă
Y = Y măsura.± Δ U; ε y = ...
Expresiile pentru erori relative și absolute depind de tipul funcției u. Principalele formule întâlnite des la efectuarea lucrărilor de laborator sunt prezentate în Tabelul 5.
Aceeași substanță în lumea reală, în funcție de condițiile de mediu, poate fi în stări diferite. De exemplu, apa poate fi sub formă de lichid, în ideea unui solid - gheață, sub formă de gaz - vapori de apă.
- Aceste stări se numesc stări agregate ale materiei.
Moleculele unei substanțe în diferite stări de agregare nu sunt diferite unele de altele. Starea specifică de agregare este determinată de locația moleculelor, precum și de natura mișcării și interacțiunii acestora între ele.
Gaz - distanța dintre molecule este mult mai mare decât dimensiunea moleculelor în sine. Moleculele din lichide și solide sunt situate destul de aproape unele de altele. La solide este și mai aproape.
Pentru a schimba starea de agregare a corpului, trebuie să transmită ceva energie. De exemplu, pentru a transforma apa in abur, aceasta trebuie incalzita.Pentru ca aburul sa redevina apa, trebuie sa renunte la energie.
Trecerea de la solid la lichid
Trecerea unei substanțe de la solid la lichid se numește topire. Pentru ca un corp să înceapă să se topească, acesta trebuie încălzit la o anumită temperatură. Temperatura la care se topește o substanță este se numește punctul de topire al unei substanțe.
Fiecare substanță are propriul punct de topire. Pentru unele corpuri este foarte scăzut, de exemplu, pentru gheață. Și unele corpuri au un punct de topire foarte ridicat, de exemplu, fierul. În general, topirea unui corp cristalin este un proces complex.
Graficul de topire a gheții
Figura de mai jos prezintă un grafic al topirii unui corp cristalin, în acest caz gheață.
- Graficul arată dependența temperaturii gheții de timpul în care este încălzită. Temperatura este afișată pe axa verticală, timpul este afișat pe axa orizontală.
Din grafic că inițial temperatura gheții a fost de -20 de grade. Apoi au început să se încălzească. Temperatura a început să crească. Secțiunea AB este secțiunea în care gheața este încălzită. În timp, temperatura a crescut la 0 grade. Această temperatură este considerată punctul de topire al gheții. La această temperatură, gheața a început să se topească, dar temperatura ei a încetat să crească, deși gheața a continuat să fie și încălzită. Zona de topire corespunde zonei BC de pe grafic.
Apoi, când toată gheața s-a topit și s-a transformat în lichid, temperatura apei a început să crească din nou. Acest lucru este arătat pe grafic de raza C. Adică, ajungem la concluzia că în timpul topirii temperatura corpului nu se modifică, Toată energia primită este folosită pentru topire.
1. Trasați un grafic al temperaturii (t i) (de exemplu t 2) în funcție de timpul de încălzire (t, min). Asigurați-vă că a fost atins starea de echilibru.
3. Numai pentru modul staționar, calculați valorile și lnA, introduceți rezultatele calculului în tabel.
4. Construiți un grafic al dependenței de x i, luând ca punct de referință poziția primului termocuplu x 1 = 0 (coordonatele termocuplurilor sunt indicate pe instalație). Desenați o linie dreaptă de-a lungul punctelor marcate.
5. Să se determine tangenta medie a unghiului de înclinare sau
6. Folosind formula (10), luând în considerare (11), se calculează coeficientul de conductivitate termică a metalului și se determină eroarea de măsurare.
7. Folosind o carte de referință, determinați metalul din care este fabricată tija.
Întrebări de control
1. Ce fenomen se numește conductivitate termică? Notează-i ecuația. Ce caracterizează gradientul de temperatură?
2. Care este purtătorul de energie termică în metale?
3. Ce mod se numește staționar? Deduceți ecuația (5) care descrie acest mod.
4. Deduceți formula (10) pentru coeficientul de conductivitate termică.
5. Ce este un termocuplu? Cum îl puteți folosi pentru a măsura temperatura într-un anumit punct al tijei?
6. Care este metoda de măsurare a conductibilității termice în această lucrare?
Lucrare de laborator nr 11
Fabricarea și calibrarea unui senzor de temperatură bazat pe un termocuplu
Scopul lucrării: familiarizarea cu metoda de fabricare a unui termocuplu; fabricarea și calibrarea unui senzor de temperatură bazat pe un termocuplu; folosind un senzor de temperatură pentru a determina punctul de topire al aliajului de lemn.
Introducere
Temperatura este o mărime fizică care caracterizează starea de echilibru termodinamic al unui sistem macroscopic. În condiții de echilibru, temperatura este proporțională cu energia cinetică medie a mișcării termice a particulelor corpului. Intervalul de temperatură la care au loc procesele fizice, chimice și alte procese este extrem de larg: de la zero absolut la 10 11 K și mai mult.
Temperatura nu poate fi măsurată direct; valoarea sa este determinată de modificarea temperaturii oricărei proprietăți fizice a substanței convenabile pentru măsurare. Astfel de proprietăți termometrice pot fi: presiunea gazului, rezistența electrică, dilatarea termică a unui lichid, viteza de propagare a sunetului.
La construirea unei scale de temperatură, valorile temperaturii t 1 și t 2 sunt atribuite la două puncte fixe de temperatură (valoarea parametrului fizic măsurat) x = x 1 și x = x 2, de exemplu, punctul de topire al gheții și punctul de fierbere al apei. Diferența de temperatură t 2 – t 1 se numește intervalul principal de temperatură al scalei. Scara de temperatură este o relație numerică funcțională specifică între temperatură și valorile proprietății termometrice măsurate. Este posibil un număr nelimitat de scale de temperatură, care diferă în proprietățile termometrice, dependența acceptată t(x) și temperaturile punctelor fixe. De exemplu, există scale Celsius, Reaumur, Fahrenheit etc.. Dezavantajul fundamental al scalelor empirice de temperatură este dependența lor de substanța termometrică. Acest dezavantaj este absent în scala de temperatură termodinamică, care se bazează pe a doua lege a termodinamicii. Pentru procesele de echilibru este valabilă următoarea egalitate:
unde: Q 1 – cantitatea de căldură primită de sistem de la încălzitor la temperatura T 1; iar Q2 este cantitatea de căldură dată frigiderului la temperatura T2. Relațiile nu depind de proprietățile fluidului de lucru și fac posibilă determinarea temperaturii termodinamice folosind cantitățile Q 1 și Q 2 disponibile pentru măsurători. Este general acceptat că T 1 = 0 K – la temperatura zero absolut și T 2 = 273,16 K în punctul triplu al apei. Temperatura pe scara termodinamică este exprimată în grade Kelvin (0 K). Introducere T 1 = 0 este o extrapolare și nu necesită implementarea zeroului absolut.
Când se măsoară temperatura termodinamică, se utilizează de obicei una dintre consecințele stricte ale celei de-a doua legi a termodinamicii, care conectează o proprietate termodinamică măsurată convenabil cu temperatura termodinamică. Printre astfel de relații: legile gazului ideal, legile radiației corpului negru etc. Într-o gamă largă de temperaturi, aproximativ de la punctul de fierbere al heliului până la punctul de solidificare al aurului, un termometru cu gaz oferă cele mai precise măsurători ale temperaturii termodinamice.
În practică, măsurarea temperaturii pe o scară termodinamică este dificilă. Valoarea acestei temperaturi este de obicei indicată pe un termometru secundar convenabil, care este mai stabil și mai sensibil decât instrumentele care reproduc o scară termodinamică. Termometrele secundare sunt calibrate în funcție de puncte de referință foarte stabile, ale căror temperaturi pe scara termodinamică au fost găsite anterior prin măsurători extrem de precise.
În această lucrare, un termocuplu (contactul a două metale diferite) este folosit ca termometru secundar, iar punctele de topire și de fierbere ale diferitelor substanțe sunt folosite ca puncte de referință. Proprietatea termometrică a unui termocuplu este diferența de potențial de contact.
Un termocuplu este un circuit electric închis care conține două joncțiuni a doi conductori metalici diferiți. Dacă temperatura joncțiunilor este diferită, atunci în circuit va curge un curent electric datorat forței termoelectromotoare. Mărimea forței termoelectromotoare e este proporțională cu diferența de temperatură:
unde k-const, dacă diferența de temperatură nu este foarte mare.
Valoarea lui k nu depășește de obicei câteva zeci de microvolți pe grad și depinde de materialele din care este fabricat termocuplul.
Exercitiul 1. Realizarea unui termocuplu
Studiul vitezei de răcire a apei într-un vas
in conditii diferite
Comanda a rulat:
Numărul echipei:
Iaroslavl, 2013
Scurtă descriere a parametrilor studiului
Temperatura
Conceptul de temperatură corporală pare simplu și de înțeles la prima vedere. Din experiența de zi cu zi, toată lumea știe că există corpuri calde și reci.
Experimentele și observațiile arată că atunci când două corpuri intră în contact, dintre care unul îl percepem ca fierbinte și celălalt ca rece, au loc modificări ale parametrilor fizici atât ai primului cât și ai celui de-al doilea corp. „O mărime fizică măsurată de un termometru și aceeași pentru toate corpurile sau părțile corpului care sunt în echilibru termodinamic între ele se numește temperatură.” Când termometrul este adus în contact cu corpul studiat, vedem diferite tipuri de schimbări: o „coloană” de lichid se mișcă, se modifică volumul de gaz etc. Dar în curând apare în mod necesar echilibrul termodinamic între termometru și corp - un stare în care sunt toate mărimile care caracterizează aceste corpuri: masele, volumele, presiunile lor etc. Din acest moment, termometrul arată nu numai temperatura proprie, ci și temperatura corpului studiat. În viața de zi cu zi, cel mai obișnuit mod de a măsura temperatura este utilizarea unui termometru lichid. Aici, proprietatea lichidelor de a se extinde atunci când sunt încălzite este folosită pentru a măsura temperatura. Pentru a măsura temperatura unui corp, termometrul este adus în contact cu acesta, iar între corp și termometru are loc un proces de transfer de căldură până la stabilirea echilibrului termic. Pentru a se asigura că procesul de măsurare nu modifică în mod semnificativ temperatura corpului, masa termometrului trebuie să fie semnificativ mai mică decât masa corpului a cărui temperatură este măsurată.
Schimb de caldura
Aproape toate fenomenele din lumea exterioară și diferitele modificări ale corpului uman sunt însoțite de modificări ale temperaturii. Fenomenele de schimb de căldură însoțesc toată viața noastră de zi cu zi.
La sfârșitul secolului al XVII-lea, celebrul fizician englez Isaac Newton a exprimat o ipoteză: „rata schimbului de căldură între două corpuri este mai mare, cu atât temperaturile lor diferă mai mult (prin rata de schimb de căldură înțelegem modificarea temperaturii pe unitatea de timp) . Transferul de căldură are loc întotdeauna într-o anumită direcție: de la corpurile cu o temperatură mai ridicată la corpurile cu o temperatură mai scăzută. Numeroase observații ne convinge de acest lucru, chiar și la nivel de zi cu zi (o lingură într-un pahar de ceai se încălzește, dar ceaiul se răcește). Când temperatura corpurilor se egalizează, procesul de schimb de căldură se oprește, adică are loc echilibrul termic.
O afirmație simplă și de înțeles că căldura se mișcă independent doar de la corpurile cu o temperatură mai mare la corpurile cu o temperatură mai scăzută, și nu invers, este una dintre legile fundamentale în fizică și se numește legea a II-a a termodinamicii, această lege a fost formulată. în secolul al XVIII-lea de către omul de știință german Rudolf Clausius.
Studiuviteza de răcire a apei într-un vas în diferite condiții
Ipoteză: Presupunem că viteza de răcire a apei din vas depinde de stratul de lichid (unt, lapte) turnat pe suprafața apei.
Ţintă: Determinați dacă stratul de suprafață de unt și stratul de suprafață de lapte afectează viteza de răcire a apei.
Sarcini:
1. Studiază fenomenul de răcire cu apă.
2. Determinați la timp dependența temperaturii de răcire a apei cu un strat de ulei de suprafață, scrieți rezultatele în tabel.
3. Determinați la timp dependența temperaturii de răcire a apei cu stratul superficial de lapte, scrieți rezultatele în tabel.
4. Construiți grafice de dependență și analizați rezultatele.
5. Trageți o concluzie despre ce strat de suprafață de pe apă are o influență mai mare asupra vitezei de răcire a apei.
Echipamente: sticla de laborator, cronometru, termometru.
Plan experimental:
1. Determinarea valorii diviziunii scalei termometrului.
2. Măsurați temperatura apei în timp ce se răcește la fiecare 2 minute.
3. Măsurați temperatura în timp ce răciți apa cu un strat superficial de ulei la fiecare 2 minute.
4. Măsurați temperatura în timp ce răciți apa cu stratul superficial de lapte la fiecare 2 minute.
5. Introduceți rezultatele măsurătorii în tabel.
6. Folosind datele din tabel, construiți grafice ale temperaturii apei în funcție de timp.
8. Analizați rezultatele și prezentați rațiunea lor.
9. Trageți o concluzie.
Finalizarea lucrării
Mai întâi, am încălzit apă în 3 pahare la o temperatură de 71,5⁰C. Apoi am turnat ulei vegetal într-unul dintre pahare și lapte în celălalt. Uleiul a fost distribuit pe suprafața apei, formând un strat uniform. Uleiul vegetal este un produs extras din materiale vegetale și format din acizi grași și substanțe înrudite. Laptele a fost amestecat cu apă (formând o emulsie), acest lucru a indicat că laptele fie a fost diluat cu apă și nu corespunde conținutului de grăsime menționat pe ambalaj, fie a fost făcut dintr-un produs uscat, iar în ambele cazuri proprietățile fizice a laptelui schimbat. Laptele natural, nediluat cu apă, formează un cheag în apă și nu se dizolvă de ceva timp. Pentru a determina timpul de răcire a lichidelor, am înregistrat temperatura de răcire la fiecare 2 minute.
Masa. Studiul timpului de răcire a lichidelor.
|
lichid | |||||||||||
apă, t,⁰С | |||||||||||
apă cu ulei, t,⁰С | |||||||||||
apă cu lapte, t,⁰С |
Conform tabelului, vedem că condițiile inițiale în toate experimentele au fost aceleași, dar după 20 de minute de experiment, lichidele au temperaturi diferite, ceea ce înseamnă că au viteze de răcire diferite ale lichidului.
Acest lucru este prezentat mai clar în grafic.
În planul de coordonate cu axele temperatură și timp au fost marcate puncte care afișează relația dintre aceste mărimi. Făcând o medie a valorilor, am tras o linie. Graficul arată o dependență liniară a temperaturii de răcire a apei de timpul de răcire în diferite condiții.
Să calculăm viteza de răcire a apei:
a) pentru apă
0-10 min 
(ºС/min)
10-20 min (ºС/min)
b) pentru apa cu strat superficial de ulei
0-10 min 
(ºС/min)
10-20 min 
(ºС/min)
b) pentru apa cu lapte
0-10 min 
(ºС/min)
10-20 min 
(ºС/min)
După cum se poate vedea din calcule, apa și uleiul s-au răcit cel mai lent. Acest lucru se datorează faptului că stratul de ulei nu permite apei să schimbe intens căldură cu aerul. Aceasta înseamnă că schimbul de căldură dintre apă și aer încetinește, viteza de răcire a apei scade și apa rămâne mai fierbinte mai mult timp. Acesta poate fi folosit atunci când gătiți, de exemplu când gătiți pastele; după fierberea apei, adăugați ulei, pastele se vor găti mai repede și nu se vor lipi.
Apa fără aditivi are cea mai rapidă viteză de răcire, ceea ce înseamnă că se va răci mai repede.
Concluzie: astfel, am verificat experimental că stratul superficial de ulei are o influență mai mare asupra vitezei de răcire a apei, viteza de răcire scade și apa se răcește mai lent.
