На данном уроке мы будем рассматривать практическое применение полученных знаний на примере проведения лабораторной работы по физике с целью измерения удельной теплоемкости твердого тела. Мы познакомимся с основным оборудованием, которое будет необходимо для проведения данного опыта, и рассмотрим технологию проведения практических работ по измерению физических величин.

1. Поместим металлический цилиндр в стакан с горячей водой и измерим термометром ее температуру. Она будет равняться температуре цилиндра, т. к. через определенное время температуры воды и цилиндра сравняются.

2. Затем нальем в калориметр холодную воду и измерим ее температуру.

3. После этого поместим привязанный на нитке цилиндр в калориметр с холодной водой и, помешивая в нем воду термометром, измерим установившуюся в результате теплообмена температуру (рис. 6).

Рис. 6. Ход выполнения лабораторной работы

Измеренная установившаяся конечная температура в калориметре и остальные данные позволят нам рассчитать удельную теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр. Вычислять искомую величину мы будем исходя из того, что, остывая, цилиндр отдает ровно такое же количество теплоты, что и получает вода при нагревании, происходит так называемый теплообмен (рис. 7).

Рис. 7. Теплообмен

Соответственно получаем следующие уравнения. Для нагрева воды необходимо количество теплоты:

, где:

Удельная теплоемкость воды (табличная величина), ;

Масса воды, которую можно определить с помощью весов, кг;

Конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, o ;

Начальная температура холодной воды, измеренная с помощью термометра, o .

При остывании металлического цилиндра выделится количество теплоты:

, где:

Удельная теплоемкость металла, из которого изготовлен цилиндр (искомая величина), ;

Масса цилиндра, которую можно определить с помощью весов, кг;

Температура горячей воды и, соответственно, начальная температура цилиндра, измеренная с помощью термометра, o ;

Конечная температура воды и цилиндра, измеренная с помощью термометра, o .

Замечание. В обеих формулах мы вычитаем из большей температуры меньшую для определения положительного значения количества теплоты.

Как было указано ранее, в процессе теплообмена количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое отдал металлический цилиндр:

Следовательно, удельная теплоемкость материала цилиндра:

Полученные результаты в любой лабораторной работе удобно записывать в таблицу, причем проводить для получения усредненного максимально точно приближенного результата несколько измерений и вычислений. В нашем случае таблица может выглядеть примерно следующим образом:

Масса воды в калориметре	Начальная температура воды	Масса цилиндра	Начальная температура цилиндра	Конечная температура

Вывод: вычисленное значение удельной теплоемкости материала цилиндра .

Сегодня мы рассмотрели методику проведения лабораторной работы по измерению удельной теплоемкости твердого тела. На следующем уроке мы поговорим о выделении энергии при сгорании топлива.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «5terka.com» ()
2. Интернет-портал «k2x2.info» ()
3. Интернет-портал «youtube.com» ()

Домашнее задание

1. На каком из этапов проведения лабораторной работы есть вероятность получить наибольшую погрешность измерений?
2. Какими должны быть материалы и устройство калориметра для получения наиболее точных результатов измерений?
3. *Предложите свою методику измерения удельной теплоемкости жидкости.

Лабораторная работа № 8 «Измерение ускорения свободного падения с помощью маятника».

Цель работы: вычислить ускорение свободного падения из формулы для периода колебаний математического маятника:

Для этого необходимо измерить период колебания и длину подвеса маятника. Тогда из формулы (1) можно вычислить ускорение свободного падения:

Средства измерения:

1) часы с секундной стрелкой;

2) измерительная лента (Δ л = 0,5 см).

Материалы: 1) шарик с отверстием; 2) нить; 3) штатив с муфтой и кольцом.

Порядок выполнения работы

1. Установите на краю стола штатив. У его верхнего конца укрепите при помощи муфты кольцо и подвесьте к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 3-5 см от пола.

2. Отклоните маятник от положения равновесия на 5-8 см и отпустите его.

3. Измерьте длину подвеса мерной лентой.

4. Измерьте время Δt 40 полных колебаний (N).

5. Повторите измерения Δt (не изменяя условий опыта) и найдите среднее значение Δt ср.

6. Вычислите среднее значение периода колебаний T ср по среднему значению Δt ср.

7. Вычислите значение g cp по формуле:

8. Полученные результаты занесите в таблицу:

Номер	l, м	N	Δt, с	Δt ср, с

9. Сравните полученное среднее значение для g cp со значением g = 9,8 м/с 2 и рассчитайте относительную погрешность измерения по формуле:

Изучая курс физики вам часто приходилось использовать в решении задач и других расчетах значение ускорения свободного падения на поверхности земли. Вы принимали значение g = 9,81 м/с 2 , то есть с той точностью, которой вполне достаточно для производимых вами расчетов.

Целью данной лабораторной работы является экспериментальное установление ускорения свободного падения с помощью маятника. Зная формулу периода колебания математического маятника Т =

можно выразить значение g через величины, доступные простому установлению путем эксперимента и рассчитать g с некоторой точностью. Выразим

где l — длина подвеса, а Т — период колебаний маятника. Период колебаний маятника Т легко определить, измерив время t, необходимое для совершения некоторого количества N полных колебаний маятника

Математическим маятником называют груз, подвешенный к тонкой нерастяжимой нити, размеры которого много меньше длины нити, а масса — много больше массы нити. Отклонение этого груза от вертикали происходит на бесконечно малый угол, а трение отсутствует. В реальных условиях формула

имеет приблизительный характер.

Рассмотрим такое тело (в нашем случае рычаг). На него действуют две силы: вес грузов P и сила F (упругости пружины динамометра), чтобы рычаг находился в равновесии и моменты этих сил должны быть равны по модулю меду собой. Абсолютные значения моментов сил F и P определим соответственно:

В лабораторных условиях для измерения с некоторой степенью точности можно использовать небольшой, но массивный металлический шарик, подвешенный на нити длиной 1-1,5 м (или большей, если есть возможность такой подвес разместить) и отклонять его на небольшой угол. Ход работы целиком понятен из описания ее в учебнике.

Средства измерения: секундомер (Δt = ±0,5 с); линейка или измерительная лента (Δl = ±0,5 см)

Цель – определить момент инерции тела методом крутильных колебаний.

Приборы и материалы : измерительная установка, набор тел, секундомер.

Описание установки и метода измерения

Измерительная установка представляет собой круглый диск, подвешенный на упругой стальной проволоке и предназначенный для помещения тел, момент инерции которых следует определить (рис. 8.1).

Рис. 8.1

Прибор центруется при помощи двух подвижных грузов, закрепленных на диске. Поворачивая диск прибора на некоторый угол вокруг вертикальной оси, закручивают стальной подвес.

При повороте тела на угол  проволока закручивается и возникает момент сил M , стремящийся вернуть тело в положение равновесия. Эксперимент показывает, что в довольно широких пределах момент сил М пропорционален углу закручивания  , т. е.
(сравните: упругая сила
). Отпускают диск, предоставляя ему возможность совершать крутильные колебания. Период крутильных колебаний определяется выражением
, гдеf – модуль кручения; J – момент инерции колеблющейся системы.

Для прибора
. (8.1)

Равенство (8.1) содержит две неизвестные величины f и J пр . Поэтому необходимо повторить опыт, предварительно поместив на диск установки эталонное тело с известным моментом инерции. В качестве эталона взят сплошной цилиндр, момент инерции которого J эт .

Определив новый период колебаний прибора с эталоном, составляем уравнение, аналогичное уравнению (8.1):

. (8.2)

Решая систему уравнений (8.1) и (8.2), определяем модуль кручения f и момент инерции прибора J пр при данном положении грузов. (Вывод расчетных формул для f и J пр сделайте самостоятельно при подготовке к лабораторной работе и приведите его в отчете). Сняв эталон, помещают на диск прибора тело, момент инерции которого относительно оси прибора нужно определить. Установку центрируют и вновь определяют период крутильных колебаний T 2 , который в этом случае запишется в виде

. (8.3)

Зная иf , рассчитывают момент инерции тела относительно оси прибора на основании формулы (8.3).

Данные всех измерений и расчетов заносят в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Измеряемые и расчетные величины для определения момента инерции методом крутильных колебаний

	t пр	T пр	t 1	T 1	t 2	T 2
		< T пр >=	< T 1 >= < ¦ >= < J пр >=	< T 2 >= < J т >

Задание 1. Определение периодов крутильных колебаний прибора, прибора с эталоном, прибора с телом

1. Замерить секундомером время t пр 20–30 полных колебаний прибора и определить
.

2. Опыт повторить 5 раз и определить < T пр > .

3. Поместить на диск прибора эталон и аналогично определить < T 1 >.

4. Поместить на диск прибора тело, установку отцентрировать, определить < T 2 > .

Результаты измерений занести в табл. 8.1

Лабораторная работа №8.

«Измерение диаметра и отклонений формы поверхности отверстия индикаторным нутромером».

Цель работы: Освоить приемы измерения индикаторным нутромером

диаметров отверстий и отклонения формы отверстия.

Задание: Измерить диаметром и отклонения формы поверхности

отверстия в деталях типа втулки индикаторным нутромером.

Оборудование: Индикаторный нутромер с головкой.

Концевые меры длины (КМД).

Принадлежности к КМД.

Детали типа втулки и её чертёж.

1. Теоретическая часть

Измерения отверстия допустимо, если ≤ т.е. предельная погрешность измерения головки меньше допускаемой погрешности измерения отверстия.

2. Индикаторный нутромер.

Основанием индикаторного нутромера служит трубка 4 (рис.1) с теплоизоляционной ручкой 6. Верхнее отверстие трубки с зажимом 8 служит для установки гильзы измерительной головки или индикатора часового типа.

В нижней части трубки расположена головка нутромера, состоящая из корпуса 9, центрирующего мостика11 и измерительных стержней-наконечников - подвижного 1 и жесткого 10. Перемещение наконечника 1 через рычаг 2, штек 3 и червяка 5 передаётся измерительной головке. Центрирующий мостик 2 устанавливает ось измерения нутромера (ось наконечникаа1 и 10) на совпадение с диаметром отверстия измеряемой детали (рис.2)

При измерении необходимо покачать нутромер в осевой плоскости в продольном сечении и найти минимальное положение по стрелке измерительной головки, т.е. перпендикулярны к обоим образующим отверстия.

Нутромеры с центрирующим мостиком выпускаются с диапазоном измерения: мм: 6…10; 10…18; 18…50; 50…100; 100…160; 160…250; 250…450; 450…700; 700…1000.

Для измерения отверстий малых диаметров принимаются нутромеры с шариковыми вставками (рис.3) шариковые вставки имеют диапазоны: мм: 3…6; 6…10; 10…18.

Для установки индикаторных нутромеров на «0» применяются установочные кольца или комплекты из концевых мер (КМД) и боковиков. Блок КМД подбирают и устанавливают в державку вместе с боковиками. Действия при установки на «0» аналогичны действиям при измерении детали.

2.1 Измерительная головка.

Измерительная головка преобразуют малые перемещения измерительного наконечника в большие перемещения стрелки отчетного устройства.

На рис.4 показан индикатор часового типа. Измерительный стержень 1 индикатора имеет рейку, которая зацепляется с зубчатым колесом 5 и через передаточное колесо 9 передает движение трубке 9 и стрелки 8. Для установки на «0» круглая шкала циферблата поворачивается вместе с ободком 2. Стрелка 6 показывает количество оборотов стрелки 8.

Индикаторы часового типа имеют диаметр гильзы 8мм, ход измерительного стержня 2; 5 или 10мм и цену деления 0,01мм.

У рычажно-зубчатых измерительных головок перемещение измерительного наконечника (поворачивает) через систему рычагов передаются зубчатому сектору, который поворачивает зубчатое колесо и сидящую на оси колеса стрелку. Головки имеют цену деления 0,001 мм и 0,002 мм, диапазон измерений ± 0,05мм…5мм (многооборотные).

2.2 Подготовка к измерению.

1.Закрепить измерительную головку в трубке нутромера. Для этого вставить гильзу измерительной головки в отверстие трубки так, чтобы шарик измерительного наконечника коснулся торца штока и шкала циферблата обращена в сторону с центрирующим мостиком и закрепить зажимом измерительную головку, при этом стрелка должна сделать полный оборот. При этом необходимо сохранить свободу перемещения измерительного стержня головки.

2. Набрать блок КМД согласно номинального размера отверстия и закрепить его между боковиками в державку для КМД. Предварительно протерев плитки и боковики бензином. Протереть выветренную поверхность отверстия чистой тканью.

3. проверить на соответствие пределов измерения нутромера размеру измерительного отверстия. В случае их несоответствия заменить сменный измерительный стержень или подобрать набор удлинителей и шайб к жесткому составному стержню (в зависимости от типа нутромера).

2.3 Установка нутромера на «0».

1.Взять нутромер за теплоизоляционную ручку и ввести глубомерный стержень между боковиками.

2.Наблюдая за стрелкой головки и перемещая нутромер между боковиками путем покачивания и вращения вокруг оси трубки (см.схему) установить нутромер в положение, совпадающее с наименьшим расстояние между измерительными поверхностями боковиков. При этом стрелка дойдет до самого дальнего *(по часовой стрелке) деления и повернет обратно. Для обоих видов движения (покачивая и поворота) это деление должно совпасть.

3.Запомнить это деление, вынуть нутромер из боковиков и ободком циферблата (или винтом установки на «0») повернуть шкалу в замеченное положение.

4.Проверить установку на «0». В правом положении стрелка индикатора должна показать на 0.

2.4 Измерение диаметра отверстия.

1.Взять нутромер правой рукой за теплоизоляционную ручку и передерживая деталь левой рукой ввести нутромер в отверстие измеряемой детали измерительной головкой вверх и шкалой к себе. Для этого подвижный стержень с мостиком нужно ввести на небольшую глубину путем наклона нутромера, а затем выпрямить его так, чтобы жесткий стержень уперся в противоположную стенку отверстия.

2.Продвинуть нутромер до нужного сечения и, покачивая его в вертикальной плоскости от себя – на себя, заметить самое дальнее деление шкалы, до которого доходит стрелка.

Отклонение стрелки от «0» по часовой стрелки показывает уменьшение размера диаметра отверстия и знак «-», а отклонение против часовой стрелки – уменьшение диаметра и знак«+».

4.Снять показание нутромера с учетом цены деления шкалы головки и знака и записать его в таблицу отсчета. Измерения провести для каждого сечения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Рис. 1Индикаторный нутромер

Рис. 4 Индикатор часового типа

3.Результаты измерения.

1.С учетом номинального размера блока КМД посчитать действительные размеры детали.

2.Сравнгить размеры детали с допускаемыми предельными размерами и дать заключение о годности детали.

Рассмотрев размеры детали по сечениям, определить отклонения формы детали от цилиндричности.

3.Заполнить отчет по работе.

После проверки результатов измерений преподавателем нутромер, головку, КМД и принадлежности к ним протереть сухой тканью и уложить в футляры. Провести в порядок рабочее место.