Лабораторная работа №8.
Лабораторная работа №8. Определение коэффициента линейного расширения твёрдых тел. Цель работы. Опытным путем, определить коэффициент линейного расширения твердого тела, сделать вывод, из какого вещества выполнены стержни. Теория. Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении — уменьшаются. Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема происходящее при повышении температуры. При нагревании твердого тела увеличиваются средние расстояния между атомами.
Линейное расширение. Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения а. Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т0 имеет длину l0. При нагревании тела до температуры Т его длина увеличится до l, т. е. на Δ l = l — l0. Относительное удлинение тела составит Δ l / l 0. Величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на Δ T = Т — Т0, называется темпера турным коэффициентом линейного расширения.
Оборудование: прибор для определения коэффициента линейного расширения, индикатор, термометр, линейка, набор стержней из различных материалов, пробирки.
Ход работы: 1. Для определения коэффициента линейного расширения необходимо: 1.1. Пробирки из комплекта принадлежностей прибора на 0,5объема наполнить водой комнатной температуры, опустив в каждую по испытуемому стержню, сферическим концом вниз и поместить на штатив. 1.2. Проводом, сечением не менее 1 мм через винт заземления подключить прибор к контуру заземления. Штепсельную вилку прибора вставить в электрическую розетку. 1.3.В поворотный кронштейн вставить индикатор и отвести его на четверть оборота в сторону до упора. 1.4.Термометром замерить температуру воды в одной из пробирок (стержень при этом извлекается из прибора). 1.5.Пробирку с испытуемым стержнем через резиновую прокладку и отверстие в крышке прибора ввести в нагреватель. 1.6.Оттянуть шток индикатора вверх, установить индикатор над пробиркой (повернуть кронштейн в прорези до упора) и отпустить шток в углубление на торце стержня. Кронштейн зафиксировать винтом. 1.7.Заметить положение стрелки на шкале индикатора (для первого опыта стрелку лучше ставить на нулевую отметку). 1.8. Только после этого можно включить питание прибора кнопочным выключателем. При этом должна загореться индикаторная лампа. При закипании воды в пробирке испытуемый образец принимает температуру равную температуре кипения воды. Увеличение длины образца определяется по отклонению стрелки индикатора от первоначального положения. Отсчет ведут с точностью дополделения шкалы индикатора, т.е. с точностью до 5 микрон. 2. Для продолжения работы и проведения опытов с другими образцами необходимо: 2.1. Кнопочным выключателем отключить питание прибора. 2.2. Индикатор на поворотном кронштейне отвести в сторону до упора, предварительно оттянув шток индикатора вверх. 2.3. Извлечь из прибора нагретую пробирку и поместить ее в штатив. 2.4. Повторить операции пунктов 1.4. - 1.9. для другого образца. Поскольку дальнейшая работа проводится при нагретом приборе, во избежание заметных искажений в замерах, время с момента помещения пробирки в зону нагрева до фиксации первоначального положения стрелки индикатора не должно превышать 40 секунд. По окончании работы с прибором (после снятия показаний по всем образцам) приступают к подсчету численного значения коэффициента линейного расширения, который определяется по формуле:
где Δ l – увеличение длины образца в мм, определяем по показанию индикатора; l 0 – начальная длина образца в мм; Т 0 – первоначальная температура в пробирке; Т 1 – конечная температура воды в пробирке после нагревания (273К). 2.5 Вычислите относительную погрешность 2.6 Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу
Таблица
1. Изменится ли результат, если металлический сплошной стержень заменить трубкой из того же материала? 2. Почему между рельсами железной дороги оставляют промежутки в стыках, а для трамвайных рельсов этого не делают? 3. Почему тоны струн фортепиано становятся выше, если его перенести из теплой комнаты в холодную? 4. Почему зубные врачи не рекомендуют слишком горячую пищу? 5. Чтобы вынуть старый заржавленный винт, его нагревают паяльником. Когда винт остынет, он легко вывинчивается. Почему? 6. Стальной стержень при температуре 0 ° С имеет длину 2 м. При какой температуре его длина будет 2,013м?
|
На рисунке представлена зависимость потенциальной энергии Еп двух атомов от расстояния r между ними. С повышением температуры возрастает полная энергия атомов. При температуре Т1 атом имеет энергию Е1 и колеблется между точками 1-1около положения равновесия r0. Если температура тела возрастает до Т2 > Т1 то увеличивается и энергия атома Е2 > Е1 и он колеблется уже между точками 2-2. Следовательно, с нагреванием возрастает среднее расстояние между положением равновесия частиц твердого тела, т.е. происходит тепловое расширение.
,
.
