Опыты с прибором

3. 1. Опыт 1. Закон Бойля-Мариотта. Предварительно следует объяснить учащимся устройство прибора, обратив их внимание на то, что объем воздуха, находящегося внутри сильфона, меняется пропорционально изменению его высоты. Измерение объема воздуха производят в условных единицах по шкале, укрепленной сбоку прибора. Указателем для отсчета служит торец верхней крышки цилиндра.

Для демонстрации опыта необходим дополнительно к прибору мановакуумметр.

Установку собирают следующим образом. Соединяют резиновым шлангом кран колонки мановакуумметра с патрубком на верхней крышке цилиндра. Открыв второй кран на колонке мановакуумметра, с помощью винта растягивают сильфон, установив торец крышки примерно на середине шкалы (7—8 условных единиц объема воздуха).

Затем, закрыв кран, несколько раз медленно изменяют объем воздуха в сильфоне, наблюдая за показанием мановакуумметра.

При уменьшении объема, а затем при увеличении его давление соответственно увеличится или уменьшится. Результаты измерений полезно записать в виде таблицы. Анализ таблицы позволит сделать вывод, что при неизменном массе воздуха (газа) при постоянной температуре произведение объема газа на давление есть величина постоянная.

Мановакуумметр позволяет демонстрировать закон Бойля-Мариотта при давлениях, меньших атмосферного.

3. 2. Опыт 2. Зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении.

Для демонстрации опыта необходимы дополнительно к прибору: мановакуумметр, термометр демонстрационный, банка стеклянная парообразователь, электрическая плитка или любой дгугой нагреватель (можно заменить сосудом с кипящей водой).

Установку собирают следующим образом.

Соединяют резиновым щлангом кран колонки мановакуумметра с патрубком на верхней крышке цилиндра. Открыв второй кран колонки мановакуумметра, вращением винта устанавливают верхнюю крышку цилиндра примерно против пятого или шестого деления по демонстрационной шкале. Закрыв кран, проверяют, чтобы стрелка мановакуумметра установилась на цифре «О» (давление внутри сильфона целесообразнее взять равным атмосферному).

Гофрированный цилиндр опускают в банку с водой, в которую предварительно нужно бросить несколько кусочков льда, чтобы температура воздуха (газа) в сильфоне в начале опыта равнялась 0° С.

Подождав несколько минут, пока температура воды и воздуха в сильфоне сравняется, измеряют температуру воды. Записав начальный объем и температуру, пропускают через воду пар.

При этом давление воздуха внутри сильфона будет повышаться. Повертывая винт, изменяют объем сильфона, а следовательно, и объем воздуха в нем таким образом, чтобы давление оставалось все время постоянным, равным первоначальному, т. е. атмосферному. Помешивая воду в банке и измеряя демонстрационным термометром ее температуру через каждые 15—20° замеряют по шкале прибора объем воздуха в сильфоне в условных единицах.

Результаты измерений записывают в виде таблицы. Приняв за начало координат первоначальный объем 5 или б условных единиц и 0° С, по результатам опыта вычерчивают график, откладывая но оси абсцисс температуру и по оси ординат — объем.

Полученная линейная зависимость даст возможность установить, что увеличение объема воздуха (газа) при нагревании его на одинаковое число градусов есть величина постоянная. Вычислив по формуле коэффициент объемного расширения газа при постоянном давлении, находят, что он равен примерно объема, занимаемого газом при 0° С.

Если в кабинете отсутствует парообразователь, то для повышения температуры воды в банке с погруженным прибором следует до начала урока вскипятить воду и затем, подливая ее в банку с холодной водой, произвести несколько измерений объема газа в сильфоне при различных температурах.

3. 3. Опыт 3. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Для демонстрации опыта необходимо то же оборудование, что и для опыта 2, установку собирают так же, как и при опыте 2.

Установив верхнюю крышку цилиндра примерно против шестого или восьмого делений по демонстрационной шкале и соединив резиновым шлангом сильфон с мановакуумметром, опускают цилиндр в сосуд с водой. Предварительно в воду кладут несколько кусочков льда.

Обращают внимание учащихся на начальные параметры опыта — 0⁰ С и давление в 0,1 МПа.

Когда температура воды в банке и воздуха в сильфоне сравняется, закрывают второй кран колонки мановакуумметра и начинают пропускать через воду пар или подливать в нее кипяток. По мере того как воздух в сильфоне начнет нагреваться (это очевидно, так как температура воды повышается, что наблюдают по демонстрационному термометру), мановакуумметр будет показывать постепенное увеличение давления в цилиндре.

Через каждые 15—20⁰ фиксируют и записывают в виде таблицы давление воздуха в сильфоне. Приняв за начало координат исходные параметры — 0° С и давление в 0,1 МПа, вычерчивают график, откладывая по оси абсцисс температуру, а по оси ординат — давление. Полученная зависимость дает основание сделать вывод, что давление газа изменяется при постоянном объеме пропорционально температуре. Вычислив по формуле термический коэффициент давления газа при постоянном объеме, находят, что он составляет первоначального давления газа при 0° С.

3. 4. Опыт 4. Зависимость между объемом, давлением и температурой газа. Установку собирают аналогично опыту 2, только без парообразователя. В начале опыта воду в банку не наливают. Приготавливают для записи результатов таблицу с графиками: давление, объем и абсолютная температура.

Произвольно устанавливают объем воздуха в сильфоне, например 6—7 условных единиц по шкале прибора, и, регулируя вторым краном на колонке мановакуумметра, давление в 0,1 МПа. Демонстрационный термометр покажет температуру окружающего воздуха. После этогов банку, в которой находится прибор, наливают горячую воду (40—50° С) и, вращая винт изменяют объем воздуха в сильфоне (сжимают сильфон на 2—3 условные единицы объема). Когда сильфон прогреется, вновь измеряют температуру, объем и давление.

Затем охлаждают воду в банке (делают ее примерно на 10° ниже комнатной) и, произвольно изменяя объем воздуха в сильфоне (например, увеличивая его на 3—4 условные единицы), производят очередные замеры температуры, объема и давления. Вычислив по формуле её значение для каждого состояния, убеждаются, что все значения будут мало отличаться друг от друга.

3. 5. Опыт. 5. Повышение температуры воздуха при адиабатном сжатии. Данный опыт может быть продемонстрирован при наличии в кабинете проекционного гальванометра с термопарой или иного индикатора температуры. Для опыта необходимо дополнительно иметь манометр демонстрационный открытый.

Установка собирается следующим образом. Вращая рукоятку винта, растягивают сильфон, установив торец верхней крышки против девятого-десятого деления по шкале прибора. Через резиновую трубку и патрубок вводят концы термопары в сильфон. Противоположные концы термопары подключают к проекционному

гальванометру или иному индикатору температуры. Резиновым шлангом соединяют патрубок сильфона с коленом демонстрационного открытого манометра.

Затем начинают медленно сжимать сильфон, (тем самым сжимают воздух в нем), наблюдая за показанием манометра и гальванометра. Показывают учащимся, что температура при медленном сжатии все время остается постоянной, а давление возрастает обратно пропорционально изменению объема.

Замечают показания манометра в положении верхней крышки сильфона относительно шкалы и винтом возвращают крышку на первоначальную отметку (девятое-десятое деление по шкале).

Далее, используя длинную рукоятку, укрепленную в головке винта, быстро сжимают воздух в сильфоне до отмеченного объема. В этом случае индикатор температуры покажет ее повышение. Отмечают, что при быстром сжатии воздуха (газа) его давление изменяется на большую величину, чем при медленном сжатии до того же объема.

3. 6. Опыт 6 Понижение температуры воздуха при адиабатном расширении.

Установку собирают так же как при опыте 5. Медленно растягивают сильфон, тем самым увеличивая его объем и давая возможность воздуху (газу) постепенно расширяться. Наблюдая за показанием манометра и гальванометра, убеждаются, что температура при медленном расширении все время остается постоянной, а давление изменяется пропорционально изменению объема.

Замечают показания манометра и конечный объем воздуха в сильфоне и возвращают его в исходное положение. Затем быстро растягивают сильфон, предоставляя воздуху возможность быстро расширяться. Гальванометр при этом покажет понижение температуры, а манометр — уменьшение давления на большую величину, чем при медленном расширении до того же объема.