Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Внимание!
Будьте предельно аккуратны в работе -- не разбейте стеклянную трубку -- вторая трубка выдаваться не будет!
Если Вы пролили воду на стол -- протрите его бумажной салфеткой.
Вам будет необходимо брать конец шланга в рот, поэтому регулярно протирайте его конец дезинфицирующей салфеткой.
В данном задании требуется (и будет оцениваться) точность измерений, корректность проведения обработки результатов и, конечно, понимание физических законов, описывающих проводимые эксперименты.
Рекомендации по подготовке установки.
В пробке бутылки проделаны отверстия, в которые вставляются стеклянная трубка и гибкий шланг. Для закрепления шланга внутри бутылки в вертикальном положении используется деревянный стержень. Положения трубки и шланга внутри бутылки можно регулировать, Вам необходимо регулярно заполнять бутылку водой. Просим Вас не спешить и быть аккуратным (чтобы не разбить трубку): чтобы открутить пробку с трубками, держите ее одной рукой, а второй вращайте бутылку.
После того, как Вы налили в бутылку нужное количество воды, закрутите пробку, перекройте зажимом шланг и после этого закрепляйте бутылку в лапке штатива на нужной высоте. Чтобы вода начала выливаться, открой зажим шланга (при необходимости можно продуть воздух в шланге).
Все измерения объемов проводите только с помощью мензурки.
Измеряемые объемы вытекающей воды должны быть не менее 200 мл. При проведении временных измерений используйте все 10 этапов памяти секундомера.
К секундомеру прилагается Инструкция по его использованию, при необходимости обращайтесь к организаторам за помощью.
Математическая подсказка.
Если некоторая переменная величина
где
где
Физическая подсказка.
Расход жидкости (т.е. объем, который протекает через поперечное сечение трубки в единицу времени) пропорционален разности давлений на концах трубки (закон Пуазейля):
где
Объем жидкости измеряйте в миллилитрах (мл), все расстояния в сантиметрах (см).
1.1 Измерьте длину трубки
Для дальнейших расчетов удобно ввести цилиндрические параметры сосудов
Измерь трубку по её оси, распрямленную и положенную на линейку; учти только видимую длину между концами.
Запиши длину как одну величину и укажи условие погрешности измерения (шкала линейки).
- Расположи трубку вдоль линейки и зафиксируй положение её концов.
- Прочитай значение на линейке, повтори измерение несколько раз для проверки.
- Возьми среднее значение измерений и укажи его как
. - Вырази
в сантиметрах и занеси в ответы.
1.1 Длина трубки
1.2 Проведите необходимые измерения и рассчитайте значения этих параметров:
Примечание. Измерять внутренние диаметры сосудов не рекомендуем.
Погрешности измерения этих трех величин рассчитывать не требуется, в дальнейших расчетах ими следует пренебрегать.
Используйте эти параметры, чтобы быстро оценивать, какой объем воды следует заливать в бутылку в каждом эксперименте.
Нарисуй мензурку и бутылку; представь, как поднимается уровень воды при добавлении известного объёма.
Для расчёта параметров
- В мензурку добавь (или отмерь) два объёма с известной разностью, измерь соответствующую разность уровней
. - В бутылку влей известный объём воды и измерь изменение уровня
. - Вычисли
и . - Вырази
и в см/мл и занеси в ответы.
1.2 Как измеряли
Измеряем по шкале мензурки расстояние между двумя отметками известных объемов: между отметками с разностью 200 мл расстояние 18,0 мм. Следовательно,
Численное значение
Как измеряли
Численное значение
2.1 Расположите трубку и шланг внутри бутылки, как показано на рисунке. Все высоты измеряйте от нижнего края пробки.
В данном эксперименте используйте следующие значения:
высота уровня шланга
высота уровня трубки
Начальную высоту уровня жидкости
Проверь положение трубки и шланга в бутылке и выбери начальный уровень так, чтобы при вытекании верхние концы оставались в воде.
Воспользуйся законом, связывающим расход с разностью давлений в концах трубки:
- Установи в бутылке положения трубки и шланга согласно рисунку и зафиксируй высоты относительно пробки.
- Подбери начальный уровень воды
так, чтобы при вытекании 200 мл верхние концы оставались погружёнными. - Подготовь мензурку и секундомер, начинай серию замеров объёма по этапам времени.
- Вырази наблюдаемый расход как функцию времени для последующей обработки (т.е. занеси данные
).
2.1 Укажите Ваши значения
2.1.1 Укажите значение начального уровня воды в трубке
Определи, на какой высоте от нижнего края пробки находится начальный уровень, глядя на шкалу мензурки и метки в бутылке.
Запиши найденное значение как
- После заполнения бутылки отмерь положение уровня относительно нижнего края пробки линейкой.
- Проверь совпадение уровня с метками на пробке/штативе и при необходимости скорректируй.
- Возьми усреднённое значение при повторных измерениях.
- Вырази
в см и занеси в лист ответов.
2.1.1 Значение начального уровня воды в бутылке
2.1.2 Измерьте зависимость объема вытекшей воды от времени
Собирай пары значений (вытекший объём — время) аккуратно, используя все этапы памяти секундомера; нанеси результаты на график.
Аппроксимируй экспериментальную зависимость линейной функцией
- Запиши таблицу со значениями
и соответствующими для всех этапов. - Построй график
vs и убедись, что точки лежат близко к прямой. - Применяй метод наименьших квадратов для нахождения углового коэффициента
и сдвига . - Вырази полученные
и (без подстановки чисел в дальнейшие формулы) и занеси их с погрешностями в ответы.
2.1.2 Результаты измерений зависимости
Таблица 1.
| V, мл | t, с | Описание функциональной зависимости |
|---|---|---|
| 0 | 0,00 | Формула зависимости |
| 20 | 13,64 | |
| 40 | 27,41 | |
| 60 | 41,54 | |
| 80 | 55,37 | |
| 100 | 69,40 | |
| 120 | 83,02 | |
| 140 | 97,64 | |
| 160 | 111,13 | |
| 180 | 124,47 | |
| 200 | 138,31 |
Метод расчета параметров зависимостей (формулы):
Использован традиционный МНК
Графики зависимостей
2.1.3 Предложите теоретическую формулу описывающую полученную зависимость
Подумай, почему расход при данной конфигурации остаётся по времени примерно постоянным — что остаётся постоянным в системе?
Исходя из Пуазейля (зависимость расхода от разности давлений) ожидай функциональную зависимость, пропорциональную разности давлений, создаваемой высотами.
- Определи разность гидростатических давлений на входе и выходе трубки через геометрические высоты.
- Запиши, что при постоянной разности давлений расход должен быть постоянен, поэтому
линейна по . - Свяжи коэффициент углового наклона
с параметрами установки через неизвестный . - Вырази теоретическую форму
в виде пропорциональности и подготовься выразить из сопоставления с .
2.1.3 Вывод теоретической формулы
Разность давлений на концах трубки остается постоянной и равной
Поэтому закон вытекания
2.1.4 Рассчитайте значения коэффициента
2.1.4 Расчет коэффициента
Погрешность
Итого
2.2 Измените положение трубки и шланга, как показано на следующем рисунке. Измерения
Переставь трубку и шланг в новую конфигурацию и снова убедись, что свободный конец шланга прикреплён выше уровня воды.
Как и раньше, применяй закон Пуазейля: расход пропорционален разности давлений, которая определяется геометрией установки.
- Установи заданные высоты
и и подбери начальный уровень . - Проведи серию замеров объёма по времени и нанеси точки на тот же бланк графика.
- Аппроксимируй экспериментальную зависимость линейной функцией и найди параметры методом МНК.
- Вырази найденные параметры для дальнейшего сравнения значений
.
2.2 Укажите Ваши значения
2.2.1 Укажите значение начального уровня воды в бутылке
Определи начальный уровень воды так, чтобы условия эксперимента соблюдались, и запиши его относительно пробки.
Это значение
- После заливки проверь положение уровня визуально и измерь по линейке до нижнего края пробки.
- Проведи повторную проверку при небольшом колебании установки.
- Вырази
в см и занеси в лист ответов.
2.2.1 Значение начального уровня воды в бутылке
2.2.2 Измерьте зависимость объема вытекшей воды от времени
2.2.2 Результаты измерений зависимости
Таблица 2.
| V, мл | t, с | Описание функциональной зависимости |
|---|---|---|
| 0 | 0,00 | Формула зависимости |
| 20 | 23,23 | |
| 40 | 45,38 | |
| 60 | 68,60 | |
| 80 | 91,28 | |
| 100 | 113,96 | |
| 120 | 137,32 | |
| 140 | 160,07 | |
| 160 | 182,37 | |
| 180 | 204,78 | |
| 200 | 226,76 |
График на бланке п. 2.1.2
2.2.3 Предложите теоретическую формулу описывающую полученную зависимость
Аналогично предыдущему опыту подумай, какая разность давлений создаёт поток в новой геометрии.
Запиши теоретическую форму зависимости
- Определи геометрическую разность давлений через
для данной конфигурации. - Соотнеси её с экспериментальным наклоном
. - Вырази теоретическую формулу
в терминах и геометрии. - Подготовь выражение для вычисления
из найденного .
2.2.3 Вывод теоретической формулы
Аналогично п. 2.1.3
2.2.4 Рассчитайте значение коэффициента
2.2.4 Расчет коэффициента
Аналогично п.2.1.4
2.2.5 Укажите, можно ли считать найденные значения
2.2.5 Можно ли считать найденные значения
Да, так их разность в пределах погрешностей измерений.
Далее используется среднее по двум измерениям значение
2.3 Еще раз измените положения трубки и шланга, как показано на следующем рисунке. 
Верхний уровень трубки установите на высоте
Начальную высоту уровня воды
Сделай конфигурацию с верхним краем шланга в воздухе и выбери начальный уровень так, чтобы после 200 мл вода почти касалась трубки.
Теперь уровень в бутылке будет меняться заметно, поэтому расход зависит от времени: используй связь расхода с текущим уровнем через
- Установи трубку и шланг согласно рисунку и подбери начальный
. - Проведи измерения
в тех же этапах и построй график на отдельном бланке. - Разбей данные на два интервала (0–100 мл и 100–200 мл) и аппроксимируй каждую часть прямой.
- Вырази, что для каждого интервала можно найти наклон
и затем связать его с через уровень и .
2.3 Укажите Ваши значения
2.3.1 Укажите значение начального уровня воды в бутылке
Подбери начальный уровень так, чтобы после вытекания 200 мл уровень воды едва превышал топ трубки, и измерь его по линейке.
Запиши это значение как
- После заливки измерь расстояние от нижнего края пробки до поверхностного уровня воды.
- Проверь соответствие условию задачи и при необходимости подкорректируй уровень.
- Вырази
в см и занеси в лист ответов.
2.3.1 Значение начального уровня воды в бутылке
2.3.2 Измерьте зависимость объема вытекшей воды от времени
2.3.2 -- 2.3.3 Результаты измерений зависимости
Таблица 3.
| V мл | t, с | Значения коэффициентов наклона |
|---|---|---|
| 0 | 0,00 | интервал 0 -- 100 мл |
| 20 | 13,13 | |
| 40 | 28,47 | |
| 60 | 43,71 | |
| 80 | 58,75 | |
| 100 | 74,21 | |
| 120 | 89,75 | |
| 140 | 105,41 | |
| 160 | 120,68 | |
| 180 | 136,78 | |
| 200 | 153,44 |
Является ли зависимость линейной? Краткое обоснование.
Нет, так различия в коэффициентах наклона выходят за пределы погрешности.
График зависимости
2.3.3 Рассчитайте на основании экспериментальных данных коэффициенты наклона (с погрешностями) сглаживающих прямых изменения объема на участках: а) от 0 до 100 мл; б) от 100 до 200 мл. Укажите, можно ли считать полученную зависимость нелинейной.
Определи наклоны для двух интервалов и сравни их с учётом погрешностей, чтобы установить наличие нелинейности.
Если различие наклонов больше, чем суммарная погрешность, зависимость считать нелинейной; наклоны вычисляют методом МНК.
- Для участка 0–100 мл найди наклон
и его погрешность. - Для участка 100–200 мл найди наклон
и его погрешность. - Сравни
и с учётом погрешностей и сделай вывод о линейности зависимости. - Вырази результаты и сформулируй вывод о нелинейности (или её отсутствии).
2.3.4 Рассчитайте по найденным в п. 2.3.3 коэффициентам наклона значения коэффициента
2.3.4 Значения коэффициента
Метод расчета (вывод формул)
Изменение объема воды в бутылке описывается уравнением
Вылившийся объем
Высота уровня воды в бутылке выражается через объем следующим образом
где
Численные значения:
Интервал 0 -100 мл
Интервал 100 -- 200 мл
3.1 Измерьте зависимость объема воды в мензурке от времени
Заполни мензурку полностью и налей в бутылку указанноё количество воды; начальным объёмом в мензурке будет полный объём.
Снимай изменения объёма в мензурке по времени
- Установи трубки в требуемом положении и обеспечь заданную разность высот
. - Полностью заполненную мензурку фиксируй и начинай отсчёт времени при запуске всасывания.
- Заполняй таблицу
и построй график объёма мензурки по времени. - Нанеси график и подготовь данные для линеаризации.
3.1 Результаты измерений
Таблица 4.
| V, мл | t, мин | t, с | t, общ | |
| 250 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 5,842 |
| 230 | 0,00 | 27,90 | 27,90 | 5,782 |
| 210 | 0,00 | 59,16 | 59,16 | 5,718 |
| 190 | 1,00 | 31,06 | 91,06 | 5,651 |
| 170 | 2,00 | 5,44 | 125,44 | 5,578 |
| 150 | 2,00 | 42,98 | 162,98 | 5,499 |
| 130 | 3,00 | 23,49 | 203,49 | 5,414 |
| 110 | 4,00 | 7,59 | 247,59 | 5,320 |
| 90 | 4,00 | 56,95 | 296,95 | 5,217 |
| 70 | 5,00 | 52,39 | 352,39 | 5,103 |
| 50 | 6,00 | 58,27 | 418,27 | 4,973 |
График зависимости
3.2 Выведите теоретическую формулу, описывающую зависимость объема от времени
3.2 Вывод теоретической формулы, численные значения параметров
В этом случае уравнение для изменения объема имеет вид
Решение этого уравнения
Для линеаризации необходимо взять
Расчеты в Таблице 4
3.3 Постройте линеаризованный график полученной экспериментальной зависимости, т.е. найдите такую функцию
3.4 Используя построенный линеаризованный график, найдите численное значение коэффициента
3.4 Значение коэффициента
Из найденного закона изменения объема следует, что
Следовательно, коэффициент наклона линеаризованной зависимости равен
Поэтому
Расчеты дают значения
