Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Внимание!
Проведение измерений требует большого времени. Ознакомьтесь со всем условием, тщательно спланируйте проведение эксперимента. Ампула со льдом будет выдана вам по первому требованию. Учитывайте, что на каждого участника приготовлена только одна ампула!
Рекомендуем сначала провести все необходимые измерения, а потом проводить их обработку!
Удельная теплоемкость воды
удельная теплоемкость льда
1.1. Измерьте зависимость температуры воды в стакане от времени в диапазоне температур
Наблюдаемые величины — время и температура; удобнее фиксировать времена, когда вода достигает заранее выбранных температур. Подготовь таблицу и измеряй времена для температур от 45° до 30°.
Запиши в таблицу пары (температура, время) и построй график t(τ) — он нужен дальше для вычислений потоков и оценки момента плавления.
- Выбери через 1°/1°C или другой шаг точки измерений и для каждой зафиксируй время τ_k, когда t=t_k.
- Заполни таблицу и проверь у каждого значения t_k наличие соседних точек t_{k-1}, t_{k+1}.
- Построй график t(τ) для полученных данных (со льдом).
- Оставь график — он понадобится для определения момента полного плавления и для дальнейшей обработки.
1.2. Определите примерно момент времени, когда весь лед в ампуле растает. Укажите значение температуры воды в этот момент времени.
При плавлении температура льда остаётся около 0°C, поэтому на графике t(τ) со льдом должен быть участок с характерным изменением наклона; ищи «плато» в зависимости.
Воспользуйся построенным графиком t(τ) и табличными временами: момент полного плавления — тот, после которого кривая продолжает охлаждаться обычным образом, без признаков влияния льда.
- Осмотри график t(τ) и найди область, где скорость изменения температуры резко уменьшилась или появилась особая ступенька.
- Определи начало и конец этой области; момент, когда лед полностью растаял, — конец плато, после которого кривая снова идёт как при отсутствии льда.
- Запиши время этого момента τ_p и соответствующую ему температуру t_p из таблицы/графика.
- Проверь на согласованность с визуальным наблюдением и запомни t_p для дальнейших расчётов.
1.3. Определите массу льда, который вам был выдан. Деления шкалы на ампуле заданы в миллилитрах.
Ампула шкалирована в миллилитрах; лед — вода в твердом состоянии, поэтому при подсчёте массы используй объём ампулы и плотность воды.
Переведи объём льда, прочитанный по делениям ампулы, в массу, умножив на плотность воды ρ_0 (модель: лед и вода имеют близкую плотность зачем считать её равной ρ_0).
- Прочитай по шкале ампулы объём V_ice в миллилитрах и переведи в кубические метры или литры (1 мл = 1·10^{-6} м^3 или 1 мл = 1·10^{-3} л).
- Вычисли массу льда m_0 = ρ_0 · V_ice (следи за единицами).
- Округли результат с учётом точности делений ампулы и занеси m_0 в таблицу.
- Используй полученную m_0 в последующих расчетах удельной теплоты плавления.
1.4. Пренебрегая потерями теплоты, оцените значение удельной теплоты плавления льда.
1.1 Измерьте зависимость угла кручения
Наблюдаемые величины — время и температура; удобнее фиксировать времена, когда вода достигает заранее выбранных температур. Подготовь таблицу и измеряй времена для температур от 45° до 30°.
Запиши в таблицу пары (температура, время) и построй график t(τ) — он нужен дальше для вычислений потоков и оценки момента плавления.
- Выбери через 1°/1°C или другой шаг точки измерений и для каждой зафиксируй время τ_k, когда t=t_k.
- Заполни таблицу и проверь у каждого значения t_k наличие соседних точек t_{k-1}, t_{k+1}.
- Построй график t(τ) для полученных данных (со льдом).
- Оставь график — он понадобится для определения момента полного плавления и для дальнейшей обработки.
1.2 Постройте график полученной зависимости. Сделайте обоснованный вывод о применимости закона Гука в этом случае.
При плавлении температура льда остаётся около 0°C, поэтому на графике t(τ) со льдом должен быть участок с характерным изменением наклона; ищи «плато» в зависимости.
Воспользуйся построенным графиком t(τ) и табличными временами: момент полного плавления — тот, после которого кривая продолжает охлаждаться обычным образом, без признаков влияния льда.
- Осмотри график t(τ) и найди область, где скорость изменения температуры резко уменьшилась или появилась особая ступенька.
- Определи начало и конец этой области; момент, когда лед полностью растаял, — конец плато, после которого кривая снова идёт как при отсутствии льда.
- Запиши время этого момента τ_p и соответствующую ему температуру t_p из таблицы/графика.
- Проверь на согласованность с визуальным наблюдением и запомни t_p для дальнейших расчётов.
1.3 Объясните, почему зависимости угла кручения от приложенного момента сил полученные при нагрузке и разгрузке не совпадают.
Ампула шкалирована в миллилитрах; лед — вода в твердом состоянии, поэтому при подсчёте массы используй объём ампулы и плотность воды.
Переведи объём льда, прочитанный по делениям ампулы, в массу, умножив на плотность воды ρ_0 (модель: лед и вода имеют близкую плотность зачем считать её равной ρ_0).
- Прочитай по шкале ампулы объём V_ice в миллилитрах и переведи в кубические метры или литры (1 мл = 1·10^{-6} м^3 или 1 мл = 1·10^{-3} л).
- Вычисли массу льда m_0 = ρ_0 · V_ice (следи за единицами).
- Округли результат с учётом точности делений ампулы и занеси m_0 в таблицу.
- Используй полученную m_0 в последующих расчетах удельной теплоты плавления.
1.4 Рассчитайте значение коэффициента пропорциональности
2.1 Измерьте зависимость температуры воды в стакане (без льда) от времени в диапазоне температур
Повтори те же измерения, что и в первой части, но без ампулы со льдом, сохрани тот же уровень воды; фиксируй времена для тех же температур.
Запиши времена τ_k(без льда) для каждой выбранной температуры и построй таблицу и график t(τ) — эти данные нужны для оценки потока теплоты в окружающую среду.
- Налей ту же массу/объём воды, как в первом эксперименте, и доведи до 45°C.
- Для каждой температуры t_k в диапазоне 45°–30° зафиксируй время τ_k (без льда).
- Собери таблицу и построй график t(τ) (без льда) на том же листе, где хранится первый график.
- Проверь согласованность и подготовь данные для расчёта скоростей Δt/Δτ.
2.2 Постройте графики зависимостей температуры воды от времени, полученных в пп. 1.1 и 2.1.
Потоком теплоты
Подсказка. Для расчета потока теплоты рекомендуется использовать следующую методику. У вас получены значения времен
то есть используйте соседние в таблице значения температур и времен.
2.3 Обычно полагают, что поток теплоты между телами пропорционален разности их температур. Для проверки этой гипотезы постройте график зависимости потока теплоты, от воды в окружающую среду, от температуры воды (используйте данные, полученные в п. 2.1). Сделайте обоснованный вывод о применимости высказанной гипотезы о потоке теплоты в этом эксперименте.
Поток теплоты можно оценить через скорость изменения температуры и теплоёмкость воды; вычисли эти скорости по соседним точкам в таблице без льда.
Вычисли приближенные скорости d t/dτ по формуле с соседними точками и используй q = c_0 m_1 (Δt/Δτ) для потока, затем построй q(t) и проверь линейность.
- Для каждого t_k (без льда) вычисли скорость (Δt/Δτ)k ≈ (t{k+1}-t_{k-1})/(τ_{k+1}-τ_{k-1}).
- Найдите поток q_0(t_k) = c_0 m_1 (Δt/Δτ)_k (не подставляй числа в подсказке).
- Построй график q_0 против t и проверь, насколько точки укладываются в прямую.
- Сделай вывод о применимости гипотезы q∝(t - t_воздуха) по степени линейности и выбросам.
2.4 Представьте зависимость потока теплоты от воды в окружающую среду от температуры воды в виде
Определите численные значения параметров этой зависимости. Оцените температуру воздуха в калориметре.
Если q_0 зависит линейно от температуры, можно аппроксимировать эту зависимость прямой и найти параметры a и b; из них следует температура воздуха в калориметре.
Подбери по графику линейную аппроксимацию q_0 = a t + b (методом наименьших квадратов или визуально по линейному участку) и вычисли a и b; температура воздуха t_0 найдётся как корень линейки (t_0 = -b/a).
- Выдели на графике устойчивую линейную область (исключи начальные выбросы при высоких температурах).
- Проведи линейную аппроксимацию выбранной области и найди коэффициенты a и b (либо аналитически, либо графически).
- Определи температуру воздуха в калориметре как t_0 = -b/a.
- Запиши полученные значения a, b и t_0 для дальнейшего использования при расчёте потока к льду.
2.5 По данным, полученным в п. 1.1, рассчитайте зависимость суммарного потока теплоты от воды (в воздух и в лед) от температуры.
По данным измерений со льдом можно оценить суммарный поток теплоты от воды, используя ту же формулу q = c_0 m_1 (Δt/Δτ).
Вычисли для каждой точки (со льдом) скорость изменения температуры по соседним замерам и найди суммарный поток q(t) = c_0 m_1 (Δt/Δτ) как функцию температуры.
- Для каждой t_k(со льдом) рассчитай (Δt/Δτ)_k по соседним точкам из таблицы со льдом.
- Вычисли суммарный поток q_k = c_0 m_1 (Δt/Δτ)_k.
- Свяжи полученные q_k с соответствующими температурами t_k и занеси в таблицу.
- Построй зависимость суммарного потока от температуры для дальнейшего вычитания теплопотерь в воздух.
2.6 Используя найденную зависимость (2), рассчитайте поток теплоты от воды ко льду. Постройте график зависимости этой величины от времени.
2.7 На полученном графике укажите интервал времени, в течение которого происходило плавление льда. Найдите среднее значение потока теплоты от воды ко льду в этом интервале.
На графике q_лед(τ) плавление будет проявляться как участок почти постоянного потока — выдели этот интервал и оцени средний поток на нём.
Выдели временной интервал плато на графике q_лед(τ) и вычисли среднее значение потока на этом интервале (сумма значений, делённая на число точек или интеграл по времени поделённый на длительность).
- Найди на графике участок, где q_лед(τ) близка к постоянной (плато) — задай границы τ_start и τ_end.
- Вычисли среднее значение потока на этом интервале:
(вручную — среднее арифметическое точек или через интеграл). - Определи длительность плавления Δτ = τ_end - τ_start.
- Запиши средний поток и Δτ — они нужны для расчёта λ с учётом потерь.
2.8 Рассчитайте удельную теплоту плавления льда с учетом потерь теплоты в окружающую среду.
Определи на графике момент начала и завершения плавления льда и отметь соответствующий интервал времени; запиши температуру воды в эти моменты.
Запиши уравнение баланса теплоты для воды, учитывающее отданную водой теплоту, теплоту, ушедшую в окружающую среду, и теплоту, потраченную на плавление льда; в нём используй найденную ранее зависимость потока в окружающую среду.
- Для каждого момента времени в интервале плавления построй суммарный поток теплоты от воды (по данным измерений со льдом).
- Вычти из этого суммарного потока вклад потерь в окружающую среду, найденный в пункте 2.4, чтобы получить поток теплоты, направляемый ко льду, как функция времени.
- Интегрируй этот поточный график по времени на интервале плавления, получив полную теплоту, отданную льду во время плавления.
- Из полученного значения полной теплоты и известной массы льда выразите удельную теплоту плавления λ из уравнения теплового баланса.
2.1 Проведите измерения зависимости угла кручения от числа гвоздей, помещенных в стакан для разных длин
Повтори те же измерения, что и в первой части, но без ампулы со льдом, сохрани тот же уровень воды; фиксируй времена для тех же температур.
Запиши времена τ_k(без льда) для каждой выбранной температуры и построй таблицу и график t(τ) — эти данные нужны для оценки потока теплоты в окружающую среду.
- Налей ту же массу/объём воды, как в первом эксперименте, и доведи до 45°C.
- Для каждой температуры t_k в диапазоне 45°–30° зафиксируй время τ_k (без льда).
- Собери таблицу и построй график t(τ) (без льда) на том же листе, где хранится первый график.
- Проверь согласованность и подготовь данные для расчёта скоростей Δt/Δτ.
2.2 На одном бланке постройте графики полученных зависимостей.
2.3 Рассчитайте значения коэффициента
Поток теплоты можно оценить через скорость изменения температуры и теплоёмкость воды; вычисли эти скорости по соседним точкам в таблице без льда.
Вычисли приближенные скорости d t/dτ по формуле с соседними точками и используй q = c_0 m_1 (Δt/Δτ) для потока, затем построй q(t) и проверь линейность.
- Для каждого t_k (без льда) вычисли скорость (Δt/Δτ)k ≈ (t{k+1}-t_{k-1})/(τ_{k+1}-τ_{k-1}).
- Найдите поток q_0(t_k) = c_0 m_1 (Δt/Δτ)_k (не подставляй числа в подсказке).
- Построй график q_0 против t и проверь, насколько точки укладываются в прямую.
- Сделай вывод о применимости гипотезы q∝(t - t_воздуха) по степени линейности и выбросам.
2.4 Из теории упругости следует, что коэффициент зависит от длины деформируемой части трубки по закону
где
Проверьте выполнимость данной формулы в данной задаче. Определите численные значение параметра
Если q_0 зависит линейно от температуры, можно аппроксимировать эту зависимость прямой и найти параметры a и b; из них следует температура воздуха в калориметре.
Подбери по графику линейную аппроксимацию q_0 = a t + b (методом наименьших квадратов или визуально по линейному участку) и вычисли a и b; температура воздуха t_0 найдётся как корень линейки (t_0 = -b/a).
- Выдели на графике устойчивую линейную область (исключи начальные выбросы при высоких температурах).
- Проведи линейную аппроксимацию выбранной области и найди коэффициенты a и b (либо аналитически, либо графически).
- Определи температуру воздуха в калориметре как t_0 = -b/a.
- Запиши полученные значения a, b и t_0 для дальнейшего использования при расчёте потока к льду.