Pobierz Fizyka w Szkole: Pakiet nr 5 - Zimno, Zimniej, Najzimniej - Od Lodów do Kriogeniki i więcej Prezentacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity!
Człowiek – najlepsza inwestycja
FENIKS
- długofalowy program odbudowy, popularyzacji i wspomagania fizyki w
szkołach w celu rozwijania podstawowych kompetencji naukowo-
technicznych, matematycznych i informatycznych uczniów
Pakiet nr 5: Zimno, zimniej, najzimniej – od lodów do kriogeniki
- instrukcje dla uczniów
dr Radosław Maj
Instytut Fizyki,
Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy
Jana Kochanowskiego w Kielcach,
ul. Świętokrzyska 15, 25-406 Kielce
Wersja UJK/1.
Niniejszy tekst dotyczy realizacji pakietu na UJK. Materiał będzie
aktualizowany w miarę poszerzania bazy aparaturowej pracowni
uczelnianych.
- długofalowy program odbudowy, popularyzacji i wspomagania fizyki w szkołach w celu rozwijania podstawowych kompetencji naukowo - technicznych, matematycznych i informatycznych uczniów Projekt współfinansowany jest ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Spis treści
- Wstęp …....................................................................................................................................
- Potencjalne zagrożenia, zasady BHP ......................................................................................
- Doświadczenie nr 1. Przemiany gazowe - Prawo Boyle'a – Mariotte'a .............................
- Doświadczenie nr 2. Przemiany gazowe - Prawo Gay-Lussaca ..........................................
- Doświadczenie nr 3. Termometr gazowy, temperatura zera bezwzględnego. ..................
- Doświadczenie nr 4. Chłodzenie gazu przez rozprężanie. .................................................
- Doświadczenie nr 5. Mieszanina oziębiająca. .....................................................................
- Doświadczenie nr 6. Gęstość wody w pobliżu temperatury krzepnięcia. ….....................
- Doświadczenie nr 7. Pomiar gęstości ciekłego azotu. .........................................................
- Doświadczenie nr 8. Skraplanie argonu. ..............................................................................
- Doświadczenie nr 9. Chłodzenie przez parowanie. .............................................................
- Doświadczenie nr 10. Wrzenie pod obniżonym ciśnieniem. .................................................
- Doświadczenie nr 11. Zestalanie ciekłego azotu. ..................................................................
- Doświadczenie nr 12. Przewodnictwo metali w zależności od temperatury. .....................
- temperatury. ............................................................................................................................. Doświadczenie nr 13. Właściwości elementów półprzewodnikowych w zależności od
- Doświadczenie nr 14. Lewitacja diamagnetyka i nadprzewodnika. ..................................
- Literatura ….............................................................................................................................
Potencjalne zagrożenia, zasady BHP
Przy wykonywaniu wielu ćwiczeń konieczne jest zachowanie szczególnej ostrożności i prze- strzeganie zasad bezpieczeństwa. Przy posługiwaniu się źródłami zasilania sieciowego, łatwopalny- mi materiałami (np. denaturat lub nafta), grzałkami, gorącymi i bardzo zimnymi cieczami występu- je zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia. Przy wykonywaniu ćwiczeń w pracowniach należy prze- strzegać obowiązującego w nich regulaminu BHP. W związku z powyższym zaleca się przestrzeganie następujących zasad:
- Nie wolno włączać zasilania sieciowego ani uruchamiać przyrządów doświadczalnych bez zgody prowadzącego zajęcia.
- Elementy zestawów ćwiczeniowych należy łączyć zgodnie ze schematami podanymi w instruk- cjach, szczególną uwagę zwracając na poprawność połączeń obwodów elektrycznych.
- Wszystkie przyrządy i urządzenia należy stosować zgodnie z ich przeznaczeniem i zasadami ich stosowania (podanymi w instrukcjach obsługi). W razie potrzeby stosować rękawice, odzież ochronną lub inne niezbędne środki ochrony osobistej.
- Należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z: a) grzejnikami i ciałami podgrzanymi do wysokiej temperatury, b) cieczami łatwopalnymi i odczynnikami chemicznymi, c) ostrymi narzędziami lub przedmiotami - w miarę potrzeby stosować rękawice ochronne, d) przedmiotami ciężkimi, kruchymi albo łatwo tłukącymi się,
- Doświadczenia należy wykonywać w pomieszczeniach, w których jest zapewniona właściwa wentylacja.
- O powstałych w czasie wykonywania ćwiczeń wątpliwościach należy informować prowadzącego zajęcia.
Doświadczenie nr 1. Przemiany gazowe - Prawo Boyle'a – Mariotte'a Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest zbadanie zależności ciśnienia gazu od jego objętości w danej tem- peraturze. Mamy tu do czynienia z przemianą izotermiczną, gdzie ustalonym parametrem jest tem- peratura. Z równania stanu gazu doskonałego:
pV=nRT ,
przy ustalonej temperaturze ( T=const ) i przy niezmieniającej się masie gazu ( n=const ) mo- żemy wywnioskować, że podczas izotermicznej przemiany gazu doskonałego jego ciśnienie jest od- wrotnie proporcjonalne do objętości:
p=
const
V
W doświadczeniu sprawdzamy powyższą zależność. Opis i schemat U-kształtna giętka rurka napełniona wodą zamknięta jest z jednej strony strzykawką z po- wietrzem. Przy przesuwaniu w górę lub w dół strzykawki (albo otwartego końca rurki) zmieniamy różnicę poziomów wody. Powoduje to zmianę ciśnienia powietrza wewnątrz strzykawki. Cały pro- ces musimy przeprowadzać wolno, aby mogło nastąpić wyrównanie się temperatury powietrza za- mkniętego w strzykawce z temperaturą otoczenia. Jeżeli poziom wody w otwartym ramieniu rurki jest wyższy niż w strzykawce, ciśnienie p w strzykawce wyraża się wzorem:
p=patmph ,
w przeciwnym wypadku:
p=patm−ph ,
gdzie ph oznacza ciśnienie, jakie wywiera słup wody o wysokości h - równej różnicy pozio-
mów wody w strzykawce i w otwartym ramieniu rurki; patm - ciśnienie atmosferyczne.
Jeżeli poziom wody w otwartym końcu rurki jest powyżej poziomu wody w strzykawce,
przyjmujemy wartość h dodatnią, w przeciwnym wypadku ujemną. Wówczas zależność ciśnie-
nia gazu w strzykawce w zależności od różnicy poziomów wody w obydwu ramionach rurki zapisujemy w postaci:
p=patm gh,
gdzie przyjmujemy: =^1
g
cm
3 - gęstość wody,^ g=^981
cm
s
Korzystając z równania stanu gazu doskonałego zapisujemy:
4. Do otrzymanych punktów dopasowujemy graficznie prostą y=axb^.
- Analizujemy zjawiska fizyczne zachodzące podczas wykonywania eksperymentu.
- Zastanawiamy się nad czynnikami, które mogły mieć wpływ na dokładność przeprowadzonych pomiarów.
Doświadczenie nr 2. Przemiany gazowe - Prawo Gay-Lussaca Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest zbadanie zależności objętości gazu od temperatury przy danym ciśnieniu. Mamy tu do czynienia z przemianą izobaryczną, gdzie ustalonym parametrem jest ciśnie- nie gazu. Z równania stanu gazu doskonałego:
pV=nRT,
przy ustalonym ciśnieniu ( p=const ) i przy niezmieniającej się masie gazu ( n=const ) może- my wywnioskować, że podczas izobarycznej przemiany gazu doskonałego stosunek jego objętości do temperatury jest stały:
V
T
=const ,
lub inaczej, że objętość zajmowana przez tę samą masę gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury:
V=const⋅T
W doświadczeniu sprawdzamy powyższą zależność. Opis i schemat Szklana kolba zanurzona w kąpieli wodnej połączona jest z L-kształtną szklaną rurką. W po- ziomym ramieniu rurki znajduje się kropla zabarwionej cieczy, która zamyka powietrze w kolbie, określa jego objętość i może swobodnie zmieniać swoją pozycję. Jeżeli ciśnienie w kolbie będzie się różnić od ciśnienia atmosferycznego kropla zabarwionej cieczy zacznie zmieniać swoje położe- nie aż do momentu wyrównania się ciśnień. W ten sposób zapewniamy stałą wartość ciśnienia w tym doświadczeniu, równą ciśnieniu atmosferycznemu. Temperatura gazu w kolbie jest równa temperaturze kąpieli wodnej. Podgrzewając kąpiel wodną, zmieniamy temperaturę gazu. Przy wzroście temperatury gaz zwiększa swoją objętość, co ma swoje odzwierciedlenie w położeniu kropli zabarwionej cieczy. Zmianę objętości cieczy
V obliczamy według wzoru:
V=S x ,
gdzie: S - pole poprzecznego przekroju szklanej rurki, x - zmiana położenia kropli zabar-
wionej cieczy.
9. Zależność V^ od T^ przedstawiamy na wykresie.
- Analizujemy zjawiska fizyczne zachodzące podczas wykonywania eksperymentu.
- Zastanawiamy się nad czynnikami, które mogły mieć wpływ na dokładność przeprowadzonych pomiarów.
Doświadczenie nr 3. Termometr gazowy, temperatura zera bezwzględnego. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest wykorzystanie mierzalnej cechy fizycznej, jaką jest ciśnienie gazu zamkniętego w stałej objętości do określenia skali i pomiaru temperatury. W rozrzedzonych gazach temperatura jest proporcjonalna do ciśnienia:
T p=apb
„Naturalnym” zerem tak przyjętej skali temperatury będzie temperatura dla której znika ciśnienie
T 0 = 0 , co oznacza, że przyjmujemy b= 0. Jako drugi punkt wybieramy punkt potrójny
wody, czyli stan w jakim woda może występować w trzech postaciach (stałym, ciekłym i gazowym). Stan ten jest jedynym w swoim rodzaju, a ciśnienie, przy którym może występować
współistnienie trzech faz wody wynosi p 3 =611,73Pa^. Za temperaturę w tym punkcie przyjmu-
jemy T 3 =273,16^ K^ , czyli T^ p 3 =T 3. Dzięki temu możemy wyznaczyć parametr a^ :
a=
T 3
p 3
a temperatura ostatecznie wyraża się wzorem:
T p=
273,16 K
611,73 Pa
⋅p
Opis i schemat Szklana kolba zanurzona w kąpieli wodnej o danej temperaturze. Połączona jest ona z U- kształtną giętką rurką, napełnioną wodą. Wolny koniec rurki możemy przesuwać w górę lub w dół. W ten sposób zapewniamy stałą objętość gazu w kolbie. Podgrzewając kąpiel zwiększamy jej tem- peraturę, co odczuwa gaz w kolbie, zwiększając swoją objętość. Przesuwamy wolny koniec rurki w górę (lub w dół po oziębieniu) tak, aby przywrócić pierwotną objętość gazu, po czym odczytujemy
różnicę poziomów wody w rurce h.
Jeżeli poziom wody w otwartym ramieniu rurki jest wyższy niż w zamkniętym, ciśnienie p w strzykawce wyraża się wzorem:
p=patmph ,
w przeciwnym wypadku:
p=patm−ph ,
gdzie ph oznacza ciśnienie, jakie wywiera słup wody o wysokości h ; patm - ciśnienie at-
mosferyczne. Jeżeli poziom wody w otwartym końcu rurki jest powyżej poziomu wody w ramieniu za-
mkniętym, przyjmujemy wartość h dodatnią, w przeciwnym wypadku ujemną. Wówczas zależ-
ność ciśnienia gazu w strzykawce w zależności od różnicy poziomów wody w obydwu ramionach rurki zapisujemy w postaci:
- Wyznaczamy temperaturę gazu zamkniętego w kolbie zgodnie ze wzorem:
T p=
273,16 K
611,73 Pa
⋅p
- Wyniki zapisujemy w tabeli:
Lp h[cm ] p[Pa ] T[ K]
8. Zależność p^ od T^ przedstawiamy na wykresie. Następnie ekstrapolujemy prostą aż do prze-
cięcia się jej z osią temperatury T^.
- Analizujemy zjawiska fizyczne zachodzące podczas wykonywania eksperymentu.
- Zastanawiamy się nad czynnikami, które mogły mieć wpływ na dokładność przeprowadzonych pomiarów.
Doświadczenie nr 4. Chłodzenie gazu przez rozprężanie Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest wykazanie, że temperatura w procesie adiabatycznego rozpręża- nia gazu obniża się. Opis i schemat W dużym słoju szczelnie zamykanym zamontowany jest termometr i wyprowadzona jest giętka rurka z zaciskiem. Ciśnienie gazu zwiększamy doprowadzając do reakcji chemicznej okre- ślonej masy kwaśnego węglanu sodowego i kwasu cytrynowego. W reakcji tej wydziela się
CO 2 , który będzie gazem roboczym. Aby reakcja zachodziła dopiero po szczelnym zamknięciu
słoja, warstwy obydwu substancji oddzielamy warstwą skruszonego lodu. Po przereagowaniu substancji ciśnienie gazu będzie wynosić:
p=patmpCO
2
Gdy tylko temperatura zamkniętego gazu osiągnie temperaturę otoczenia izolujemy słój i rozpoczynamy proces rozprężania zwalniając zacisk rurki. Czynność powtarzamy zwiększając za każdym razem masę obydwu reagujących substancji, tym samym zwiększając ciśnienie gazu. Przebieg doświadczenia
- Na dno słoja wsypujemy, w kolejności, kwas cytrynowy, skruszony lód, kwaśny węglan sodowy.
- Zamykamy słój.
- Czekamy do momentu gdy lód się stopi, obydwie substancje przereagują i temperatura gazu
Doświadczenie nr 5. Mieszanina oziębiająca. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest pokazanie, że temperatura zamarzania wodnego roztworu soli kuchennej jest niższa niż temperatura zamarzania wody. Opis i schemat Do wykonania tego eksperymentu potrzebne są: woreczek foliowy, skruszony lód i sól kuchenna. Przebieg doświadczenia
- Do foliowego woreczka wkładamy odważony, skruszony lód.
- Mierzymy temperaturę lodu.
- Do woreczka z lodem dosypujemy odważoną ilość soli.
- Woreczek zawiązujemy i wstrząsamy nim przez 5 minut.
- Odwiązujemy woreczek i mierzymy temperaturę powstałej mieszaniny i obserwujemy samą mieszaninę.
- Czynność powtarzamy, dosypując za każdym razem większą ilość soli.
- Wyniki notujemy w tabeli:
Lp msoli [ g] t[ oC^ ]
8. Sporządzamy wykres osiągniętej temperatury t w zależności od masy soli - msoli.
- Analizujemy zjawiska fizyczne zachodzące podczas wykonywania eksperymentu.
Doświadczenie nr 6. Gęstość wody w pobliżu temperatury krzepnięcia. Cel doświadczenia
Celem doświadczenia jest pokazanie, że woda o temperaturze bliskiej 0 oC^ zmniejsza
swoją objętość przy ogrzewaniu, dopóki jej temperatura nie przekroczy 4 C
o
. Woda zatem nie zachowuje się jak normalna, rozszerzająca się pod wpływem ogrzewania ciecz. Ta anomalia ma istotne znaczenie dla życia w środowisku wodnym. Opis i schemat
Probówka z wodą o temperaturze 0 C
o zakończona jest długą, sztywną, bardzo cienką rurką, która do połowy wypełniona jest również wodą. Podczas ogrzewania wody możemy obser- wować zmiany poziomu cieczy w rurce. Przebieg doświadczenia
1. Do probówki nalewamy przygotowanej wody o temperaturze 0 C
o .
- Zatykamy probówkę korkiem, następnie uzupełniamy cienką rurkę do połowy jej długości wodą za pomocą strzykawki.
- Probówkę zanurzamy w kąpieli wodnej o temperaturze pokojowej.
Doświadczenie nr 7. Pomiar gęstości ciekłego azotu. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest pomiar gęstości ciekłego azotu. Opis i schemat Do pomiaru gęstości ciekłego azotu używamy przezroczystego termosu, który wypełniamy
ciekłym azotem. Znając masę m i objętość cieczy V , wyznaczamy jej gęstość według
wzoru:
m
V
Przebieg doświadczenia
- Ważymy termos.
- Wypełniamy termos ciekłym azotem ( wykonuje prowadzący! ).
- Ważymy termos z ciekłym azotem ( wykonuje prowadzący! ).
- Zaznaczamy pisakiem poziom cieczy w termosie ( wykonuje prowadzący! ).
- Przelewamy ciekły azot do naczynia Dewara ( wykonuje prowadzący! ).
- Pusty termos uzupełniamy wodą do poziomu, zajmowanego wcześniej przez ciekły azot.
- Mierzymy objętość wlanej wody cylindrem pomiarowym.
- Wyniki i obliczenia zapisujemy w tabeli:
Masa termosu [g]^ Masa termosu z ciekłym azotem [g]^ Objętość ciekłego azotu [cm^3 ]
- Wyznaczamy masę ciekłego azotu, a następnie jego gęstość.
