Порядок выполнения работы

рис.5.

1 – стержень равного сопротивления;

2 – индикатор перемещений;

3 – грузы.

1. Устанавливают индикатор перемещений на участке стержня переменной ширины (рис.5), подвеску для грузов – на участке стержня, обозначенном указателем.

2. Перемещением индикатора в вертикальном направлении устанавливают маленькую стрелку индикатора на 1. Поворотом шкалы индикатора совмещают его нулевое деление с положением большой стрелки.

3. Масштабной линейкой измеряют расстояние от места закрепления стержня до подвески (L) и от места закрепления стержня до индикатора (Х).

4. Штангенциркулем измеряют толщину стержня b и его ширину а_о в месте закрепления.

5. Навешивают на подвеску груз Р массой 1кг и по шкале индикатора определяют соответствующую этому грузу стрелу прогиба.

6. Выполняют операцию, указанную в пункте 5 для грузов массой 2, 3, 4 и 5кг, и определяют для этих грузов соответствующие значения ℓ₂,ℓ₃,ℓ₄ и ℓ₅.

7. Выполняют указания пунктов 5 и 6, но при последовательном уменьшении грузов.

8. Значения изаписывают в таблицу.

Таблица

n/n	Р, н	ℓ,м	, м	, м

9. По значениям и, приведённым в таблице, строят график зависимостиP=f(ℓ).

10. По построенному графику определяют коэффициент, жесткости k=P/ℓ, который численно равен тангенсу угла наклона графика зависимости P=f(ℓ) к оси абсцисс.

11. По формуле вычисляют модуль Юнга.

12. Определяют значения –=, соответствующие значению стрелы прогиба при изменении массы грузов на 1кг. Вычисляют среднее значение ср и среднюю ошибку в определении .

Так как , то

13. Рассчитывают погрешность косвенных измерений (стр.103–105) в определении модуля Юнга. При вычислении погрешности необходимо учесть, что ΔХ, L, a и b равны половине цены деления прибора, Р принять равным нулю.

14. Дать заключение о характере зависимости между величиной нагрузки и стрелой прогиба.

Контрольные вопросы

1. Что называется деформацией, вид деформации?

2. Дайте понятие нормального и тангенциального напряжения?

3. Сформулируйте закон Гука. При каких деформациях он соблюдается?

4. Каков физический смысл модуля Юнга?

Литература

1. Физический практикум под редакцией Ивероновой В.И., ГИФМЛ, 1962. С.76–81.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1982. – 432с.§13, 14.

3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

Лабораторная работа № 8

Определение удельной теплоемкости металлов

методом охлаждения

Цель работы:1.Ознакомиться с одним из методов определения удельной теплоемкости твердых тел.

2.Определить удельную теплоемкость стального и медного образцов.

3.Вычислить погрешность измерения.

Приборы и принадлежности: Лабораторная установка (печь, термопара, вольтметр), секундомер, образцы, лабораторные весы, разновесы.

Краткая теория

Удельная теплоемкость твердого тела численно равна изменению внутренней энергии единицы массы при нагревании на один градус. Под внутренней энергией твердого тела понимается кинетическая энергия колебаний всех его атомов, а также их взаимная потенциальная энергия. По закону Дюлонга и Пти киломольная теплоемкость всех простых кристаллических твердых тел при достаточно высокой температуре приблизительно равна 3R (R – универсальная газовая постоянная).

Сталь, железо, алюминий, медь, относятся к тем металлам, для которых этот закон выполняются уже при комнатной температуре. При низких температурах теплоемкость всех твердых тел быстро уменьшается с понижением температуры. Закон Дюлонга и Пти является следствием закона равномерного распределения энергии по степени свободы (для твердых тел i=6). Поэтому тот факт, что твердые тела при низких температурах не следуют закону Дюлонга и Пти, показывает, что гипотеза о равномерном распределении энергии по степеням свободы является приблизительной. Опытная зависимость теплоемкости от температуры (рис 1.) может быть объяснена только на основе квантовых представлений.

Всякое тело, имеющее температуру выше температуры окружающей среды, будет охлаждаться. Теплоотдача в окружающую среду осуществляется за счет излучения и конвенции. Скорость теплоотдачи за счет конвенции на спокойном воздухе находим в зависимости от температуры окружающей среды, величины охлаждаемой поверхности и теплоемкости образца. Скорость теплоотдачи зависит не только от излучения, и указанных факторов, а также от степени черноты поверхности исследуемого образца.

рис.1

Если взять два металлических образца одинаковой формы, с равной поверхностью теплоотдачи и степенью черноты поверхности, то, сравнивая время охлаждения образцов в определенном температурном интервале, можно определить теплоемкость одного образца по известной теплоемкости другого. Покажем это.

Количество тепла, теряемое элементарным объемом металла за времяdt, может быть записано в виде:

(1)

где c – удельная теплоемкость;

ρ – плотность образца;

T – температура образца, которая принимается одинаковой во всех его точках из-за малых размеров и большой теплопроводности металла.

Величина dq может быть выражена по закону Ньютона:

(2)

где α – коэффициент теплоотдачи;

dS – элемент поверхности;

–температура окружающей среды.

Приравнивая выражения (1) и (2), получаем:

(3)

Количество тепла теряет весь объем образца:

(4)

Считая, что ,c и ρ не зависят от координат точек поверхности, после интегрирования выражения (4) можно записать:

(5)

где V – объем всего образца;

S – поверхность всего образца.

Напишем соотношение (5) для двух образцов:

(5a)

(5б)

Так какS₁=S₂, T₁=T₂, , то при делении одного выражения на другое и замене, получим:

(6)

где и– массы образцов;

c₁ и c₂ – удельная теплоемкость образцов.