Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.В данной задаче вам предстоит исследовать протекание газа через тонкую капиллярную трубку.
Значение атмосферного давления будет указано во время проведения тура.
Для проведения исследований вам предлагается следующая установка.
Сосуд с пробкой (колба) 1 соединены гибкими шлангами со шприцем 2 (с помощью которого создается дополнительное давление), манометром 3 и выводом 4, к которому подсоединяется капиллярная трубка. Трубка закрепляется в штативе вертикально, ее нижний конец опускается в мензурку. В мензурку при по мере необходимости можно добавлять воду. При необходимости поршень шприца может быть закреплен с помощью пластиковой скобы. Манометр показывает разность между давлением внутри сосуда и атмосферным давлением.
Тщательно продумывайте порядок проведения измерений, так чтобы вам хватило двух рук. Измерения требую точности и аккуратности.
При необходимости следует проводить несколько повторных измерений!
При протекании газа по трубе на него действуют силы вязкого трения со стороны стенок трубы. Расход газа (объем газа, протекающего через поперечное сечение трубы в единицу времени) определяется законом Пуазейля
где
1.1 Измерьте зависимость избыточного давления воздуха в сосуде от времени. Постройте график полученной зависимости.
Нарисуй схему и подумай, какие величины ты будешь фиксировать — давление или время. Попробуй измерять не единичные значения давления в разное время, а времена достижения заранее выбранных значений давления.
Запиши способ измерения: фиксируй ряд одинаковых значений давления и измеряй для каждого времени достижения этого давления. Для анализа пригодится усреднение повторных измерений.
- Выбери набор уровней давления, которые удобно фиксировать на манометре.
- Для каждого уровня давления пять раз зафиксируй время достижения этого уровня и вычисли среднее и стандартную погрешность.
- Построй график зависимости давления от времени, используя усреднённые точки и погрешности.
- Вырази средние значения давления и соответствующие им времена (и их погрешности) из набора измерений.
1.1. Результаты измерений зависимости давления в колбе от времени приведены в Таблице 1. Измерения удобно проводить? исследуя обратную зависимость. То есть, фиксировать времена по достижении определенных значений давления. Кроме того, ввиду кратковременности процесса и заметных ошибок измерения, измерения следует проводить несколько раз, и рассчитывая затем средние значения
Таблица 1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ср. знач | |||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 50 | - | - |
| 1,04 | 1,16 | 0,96 | 1,03 | 1,06 | 1,05 | 40 | 45 | 9,524 |
| 2,26 | 2,35 | 2,25 | 2,24 | 2,24 | 2,27 | 30 | 35 | 8,210 |
| 4,02 | 4,18 | 4,21 | 4,08 | 4,11 | 4,12 | 20 | 25 | 5,400 |
| 7,97 | 7,84 | 7,71 | 7,56 | 7,81 | 7,78 | 10 | 15 | 2,734 |
На рисунке представлен график полученной зависимости в обычно и полулогарифмическом масштабе.
Если формула Пуазейля справедлива, то эта зависимость должна быть экспоненциальной. Для проверки этого и построена данная зависимость в полулогарифмическом масштабе. Линейность полученной зависимости подтверждает применимость формулы Пуазейля.
Вторая возможность – построить зависимость
численный расчет производной всегда приводит к большим погрешностям.
1.2 На основании полученных данных докажите, что расход газа через трубку пропорционален разности давлений на ее концах.
Посмотри на форму временной зависимости давления: каким образом меняется давление — линейно, экспоненциально или иначе? Нарисуй график в полулогарифмическом масштабе и обычном.
Воспользуйся законом Бойля–Мариотта
- Запиши из закона Бойля–Мариотта связь между относительным изменением давления и относительным изменением объёма за малый интервал времени.
- Вырази скорость изменения объёма
через измеряемую величину и известный объём сосуда (без подстановки чисел). - Построй график соответствующей комбинации экспериментальных величин (например,
) от среднего давления или просто исследуй линейность в полулогарифмическом масштабе. - Вырази
через используемые экспериментальные величины и покажи, что он пропорционален разности давлений на концах трубки.
1.3 Рассчитайте численное значение проводимости трубки
Подумай, какие измеренные величины и параметры сосуда понадобятся, чтобы получить численное значение проводимости трубки.
Используй закон Бойля–Мариотта
- Выпиши выражение для
через , и , полученное из Бойля–Мариотта. - Приравняй это выражение к
и получи выражение для в терминах измеряемых величин (объём , давление , наклон и т.д.). - Подставь в полученную формулу усреднённые экспериментальные значения и вычисли числовое значение
(не выполняя здесь алгебры). - Вырази
из полученной системы и оцени его погрешность, используя ошибки измерений давлений, времени и объёма.
2.1 Проведите измерения зависимости избыточного давления внутри трубки от времени при вытекании воздуха через трубку, опущенную в воду. Постройте графики полученных зависимостей.
Заметь, что теперь на выход трубки действует дополнительное давление столба воды; учти это при вычислении разности давлений на концах трубки. Повтори измерения по тому же протоколу, что и без воды.
Проведи измерения, фиксируя времена достижения тех же уровней давления, как и в части 1; при обработке учитывай вычитание гидростатического давления
- Для каждого погружения выбери те же уровни давления и многократно зафиксируй времена достижения этих уровней.
- Вычти гидростатическое прибавочное давление, соответствующее глубине погружения, из разности давлений на концах трубки при обработке данных.
- Для каждого глубины усредни времена и построй графики давления от времени (и в полулогарифмическом масштабе) аналогично части 1.
- Вырази скоростную характеристику
или эквивалентную комбинацию для каждого набора данных, не выполняя здесь числовых подстановок.
2.2 Докажите, что и в этом случае закон Пуазейля (1) выполняется.
Сравни вид графиков (обычный и полулогарифмический) для разных глубин: сохраняется ли экспоненциальный характер падения давления?
Повтори аргумент из части 1: из закона Бойля–Мариотта и определения
- Вычисли скоростную комбинацию (например,
) для каждого графика с учётом вычитания гидростатического давления. - Построй эти зависимости в удобном масштабе (обычном и/или полулогарифмическом) и проверь линейность/совпадение наклонов.
- Сравни наклоны и форму графиков с данными без воды — убедись, что зависимость имеет тот же характер.
- Вырази наблюдаемую пропорциональность между
и скорректированной разностью давлений и покажи, что закон Пуазейля выполняется и при наличии воды.
2.3 Докажите, что проводимость трубки не зависит от глубины ее погружения. Оцените значения проводимости трубки по экспериментальным данным, полученным в данной части. Здесь оценивать погрешность не требуется.

