Лабораторная работа №22 "Определение температурного коэффициента линейного расширения твёрдых тел"

Лабораторная работа №22

Раздел 2. Основы молекулярной физики и термодинамики

Тема 2.2. Основы термодинамики

Название лабораторной работы: Определение коэффициента линейного расширения твёрдых тел

Учебная цель: определение температурного коэффициента линейного расширения стержней из твердых материалов.

Учебные задачи: Измерение удлинения стержней при нагревании и вычисление коэффициента линейного расширения.

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения лабораторного занятия.

При эксплуатации прибора учитывать виды опасности:

 электрический ток напряжением 220 В

 температурный нагрев защитного кожуха.

Не допускается:

 включать прибор в электрическую цепь с напряжением, не соответствующим указанному в руководстве

 эксплуатировать прибор без заземления

 производить ремонт при включённом приборе

 работать с прибором при повреждённой изоляции

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: пользоваться прибором для проведения опытов, рассчитывать значение коэффициента линейного расширения, определять степень точности коэффициента линейного расширения в процентах. По полученным результатам вычислять величину средней квадратической ошибки

знать: технические данные прибора, принцип работы с прибором, конструкцию прибора, работу с прибором, расчётные формулы для определения коэффициента линейного расширения твёрдых тел

Обеспеченность занятия:

методические указания по выполнению практикума.

Лабораторно – практическая тетрадь, калькулятор, карандаш, линейка, ластик, штангенциркуль.

Стержневые образцы: стальной, стеклянный, алюминиевый. Три стеклянные пробирки. Штатив. Индикатор в футляре. Термометр лабораторный от 0 до 150 С

Порядок проведения занятия: для выполнения работы учебная группа распределяется согласно экспериментальных стендов

Теоретическое обоснование

 При увеличении температуры происходит расширение твердого тела, которое называют тепловым расширением.

Коэффициентом линейного расширения называют физическую величину характеризующую изменение линейных размеров твердого тела при изменении его температуры. Обозначают его Коэффициент линейного расширения относят к характеристикам теплового расширения материала. Точность определения линейного расширения характеризуется средней квадратичной ошибкой. Степень точности вычисления коэффициента линейного расширения в процентах характеризуется средней относительной квадратичной ошибкой измерения.

Коэффициент линейного расширения используют для нахождения длины тела, после нагревания. Можно использовать для нахождения длины тела при его охлаждении. Основной единицей измерения коэффициента линейного расширения в системе СИ является:1/К. Значения коэффициентов линейного расширения для соответствующих материалов в справочных таблицах. Практическое применение: учёт нагревания и охлаждения при натяжении ЛЭП, в трубах водяного отопления, в железобетонных конструкциях. Прогуливаясь вдоль полотна железной дороги. Мы заметим, что концы двух смежных рельсов отделены друг от друга промежутками 0,6 – 1,2 см. В жаркую погоду эти концы почти сходятся вплотную. Рельсы расширяются в жаркую погоду сжимаются в холодную. Если дорога строилась в холодное время надо оставить некоторый запас, чтобы дать рельсам свободно расширяться в жаркое время года. Какой запас требуется оставить для расширения? Для этого есть приборы в нашей физической лаборатории. С помощь которых можно измерить расширение металлического стержня при нагревании.

Работа прибора основана на электротермии. Испытуемый образец твёрдого тела нагревается в воде, находящейся в стеклянной пробирке. Изменение длины нагретого образца по сравнению с его первоначальной длиной (при комнатной температуре) измеряется индикатором малых перемещений и вводится в известную формулу для определения линейного расширения.

Электрическая схема прибора, рисунок 1 состоит из нагревателя на базе эмалированного сопротивления, соединённого последовательно с предохранителем, служащим для предохранения нагревателя от перегрузки и индикаторной лампой, сигнализирующей о работе прибора. Сопротивление, соединённое параллельно с индикаторной лампой, служит шунтирующим элементом (с целью уменьшения итогового сопротивления).

220 в ВввввВ

Рисунок 1

На рисунке 2 показана конструкция прибора

Рисунок 2

На рисунке 3 – индикатор, на рисунке 4 прибор в сборе.

Таблица 2 Коэффициенты линейного расширения (относительное удлинение)

Конструкция прибора Индикатор

Рисунок 3

1. Корпус

2. Защитный кожух

3. Нагреватель

4. Опора

5. Крышка

6. Прокладка

7. Стеклянная пробирка

8. Стержень

9. Стойка для индикатора

10. Кронштейн

11. Индикатор малых перемещений

12. Индикаторная лампа

13. Кнопочный выключатель

14. Винт заземления

15. Держатель с предохранителем

16. Штепсельная вилка

Рисунок 4 Рисунок 5 Рисунок 6

Рисунок 7

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторному занятию:

1.Что такое расширение твёрдых тел?

2. Чем характеризуется коэффициент линейного расширения твёрдых тел?

3. К каким характеристикам относят коэффициент линейного расширения твёрдых тел?

4. Для какой цели используют коэффициент линейного расширения?

5. Основная единица измерения коэффициента линейного расширения в системе СИ?

6. Практическое применение

7. Устройство и принцип работы прибора для определения коэффициента линейного расширения твёрдых тел.

8. Расчётная формула коэффициента линейного расширения.

9. Чем характеризуется точность определения коэффициента линейного расширения?

10. По какой формуле определяется степень точности вычисления коэффициента линейного расширения в процентах?

Содержание и последовательность выполнения работы:

Для проведения опытов по определению коэффициента линейного расширения необходимо:

1. Пробирки заполнить на ½ объёма водой комнатной температуры, опустить в каждую по испытуемому стержню и поместить на штатив, Рисунки,5,6

2. Сферический конец стержня должен упираться в дно пробирки

3. Проводом, через винт, заземления подключиться к контуру заземления.

4. Штепсельную вилку прибора вставить в электрическую розетку

5. В поворотный кронштейн вставить индикатор и отвести его на четверть оборота в сторону

6. Лабораторным термометром замерить температуру воды в одной из пробирок (стержень при этом извлекается из пробирки), рисунок 7.

7. Пробирку с испытуемым образцом через резиновую прокладку и отверстие в крышке прибора ввести в нагреватель, рисунок 8.

8. Оттянуть шток индикатора в верх, установить индикатор над пробиркой (повернуть кронштейн в прорези до упора) и опустить шток в углубление на конце стержня

9. Заметить положение стрелки на шкале индикатора (для первого опыта стрелку ставить на нулевую отметку)

10. После этого можно включить питание прибора кнопочным выключателем. 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. Отсчёт ведут с точностью до полделения шкалы индикатора, т. е. с точностью до 5 микрон.

Для проведения работы с другими образцами необходимо:

1. Кнопочным выключателем отключить питание прибора

2. Индикатор на поворотном кронштейне отвести в сторону до упора

3. Извлечь из прибора нагретую пробирку и поместить её в штатив

4. Повторить операции пунктов 5 ÷ 10 для другого образца

Дальнейшая работа проводится при разогретом приборе, во избежание искажений в замерах время с момента помещения пробирки в зону нагрева до фиксации первоначального положения стрелки индикатора не должно превышать 30-40 секунд

(1)

Определение коэффициента

По окончании работы с прибором (после снятия показаний по всем образцам) приступают к подсчёту численного значения коэффициента линейного расширения, который определяется по формуле:

L – Увеличение длины образца в мм

L – начальная длина образца в мм (160 мм)

t₀ – первоначальная температура в пробирке (0с)

t₁ – конечная температура воды в пробирке после нагревания (100С)

Для более точного определения коэффициента необходимо проводить несколько замеров и при вычислении брать среднее значение приращения длины образца.

(2)

Точность определения коэффициента линейного расширения характеризуется средней квадратичной ошибкой:

E =

n -количество измерений (n ≥ 5)

d_i - измеренное значение коэффициента

d_cр -среднее арифметическое значение коэффициента

В формуле (2) вместо скобки можно брать значение приращения длины образца -

(3)

В этом случае выражение (2) будет иметь вид:

Степень точности вычисления коэффициента линейного расширения в процентах характеризуется средней относительной квадратичной ошибкой измерения: = 100 %

Рассчитывается по формуле:

E_отн =

Пример определения и оформления коэффициента линейного расширения стального образца

Стальной стержень длиной L=600 мм помещён в пробирку с водой температуры 20С. Результаты пятикратного повторения опыта сведены в таблицу №1

№ п/п	Показания индикатора (в делениях) при		Ai	d1	d1 - dср	(d1 - dср)2
	t 0 = 20C	t1 = 100C
1	0	15	15	11,7	- 0,24	0,0576
2	0	15	15	11,7	- 0,24	0,0576
3	0	16	16	12,7	0,56	0,3136
4	0	15,5	15,5	12,1	0,16	0,0256
5	0	15	15	11,7	- 0,24	0,0576
	Среднее значение		15,3	11,94		0,4920

По результатам вычисляем величину средней квадратичной ошибки по формуле (2) E = =0,32 1/град*10⁶

Средняя относительная квадратическая ошибка: = = 2,9

Это не превышает предельного значения.

Образец вывода

В результате проведённого опыта по определению коэффициента линейного расширения стержневых образцов (стального, алюминиевого и стеклянного)

Получили значения коэффициента линейного расширения образов не превышающие допустимые значения (см. таблицу 2).

Список литературы: 

1.Физика для профессий и специальностей технического профиля

В. Ф. Дмитриева М.: ИД Академия – 2018

2. Т. В. Ильина Методическое руководство для проведения лабораторно-

практических работ

3. Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ М.:

«Высшая школа» 2000