Дослідження ізопроцесів у газі – МАНЛаб


Дослідження ізопроцесів у газі

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Провести експерименти з ізотермічного стискання стовпа повітря з використанням вимірника тиску.
  2. Створити відеозапис експерименту.
  3. Отримати значення тисків і відповідної довжини стовпа повітря та за допомогою математичних таблиць обчислити добутки цих значень.

Обладнання:

водяний манометр, датчик тиску, ЦВК, ПК, Tracker (http://physlets.org/tracker/), Excel.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд вікна програми Tracker

Ізотермічний процес – фізичний процес, під час якого температура не змінюється.

Ізотермічний процес відбувається достатньо повільно для того, щоб температура підтримувалася сталою завдяки теплообміну із середовищем. Якщо до ізотермічного процесу застосувати рівняння Клапейрона, то з урахуванням сталості температури воно набуде вигляду

,

тобто для деякої маси газу добуток тиску газу на об’єм за незмінної температури є сталою величиною. Цей закон (закон Бойля – Маріотта) справедливий для будь-яких газів, які можна вважати ідеальними, а також для їхніх сумішей.

Метою зазначеної роботи є перевірка виконання цього закону при повільному стисканні повітря, що міститься в коліні водяного манометра, з’єднаного за допомогою силіконової трубки визначеної довжини (початкова загальна довжина стовпа повітря в записаному експерименті 1,32 м) з вимірником тиску. Оскільки діаметри трубки манометра та силіконової трубки збігаються, об’єм повітря може бути обчислений як добуток площі перерізу трубки та довжини стовпа повітря. За умови скорочення площі перерізу закон набуває вигляду:

 ,

де  l1, l– довжини стовпа повітря.

Хід роботи

Частина 1. Отримання відеозапису 

  1. Установіть на столі рідинний манометр і частково заповніть його підфарбованою рідиною.
  2. Приєднайте у площині манометра лінійку.
  3. Виміряйте довжину силіконової трубки, з’єднайте її з відкритим лівим коліном манометра та вимірником тиску. Розрахуйте початкову довжину стовпа повітря, вимірявши відстань до меніска рідини в коліні манометра, та додайте до неї довжину силіконової трубки. Розраховане значення занесіть до таблиці.
  4. Увімкніть вимірник тиску і занесіть до таблиці початкове значення тиску повітря.
  5. Приготуйте пристрій для відеозапису, оберіть стандартну частоту запису та встановіть його так, щоб уся установка потрапила в кадр.
  6. Розпочніть запис відео.
  7. За допомогою піпетки повільно заповнюйте праве коліно манометра рідиною до найвищої точки.
  8. Об’єм рідини має збільшуватися поступово за 5-6 кроків.
  9. У разі відсутності можливості відеозапису завантажте готове відео з ресурсу. 

Частина 2. Опрацювання відео 

  1. Завантажте відео у програму Tracker. Завантаження здійснюється з використанням кнопки Open у верхньому меню програми.
  1. Завантаження можна здійснити також шляхом «перетягування» файлу запису у вікно програми або через меню File → Import → Video. Якщо програма не дозволила завантажити відео, необхідно дібрати інший його формат, що здійснюється шляхом використання редакторів відео.
  2. Використовуючи кнопки керування в нижній частині вікна з відео, перегляньте запис і виділіть кадри, коли стовп повітря не змінювався.
  3. Якщо об’єктив пристрою для зйомки дає спотворення зображення, використайте відповідний фільтр відео.
  4. Установіть повзунок на перший обраний кадр та занесіть до таблиці його номер.
  5. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show or hide the coordinate axes . На відеозаписі з’являться осі координат. Центр системи координат сумістіть з меніском рідини у лівому коліні. Повторно оберіть кнопку Show or hide the coordinate axes . Система координат зникне, але її положення програма запам’ятовує.

Рис. 2. Вигляд вікна програми Tracker після встановлення положення системи координат

  1. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show, hide or create calibration tools та в меню – New → Calibration Stick. Програма запропонує, утримуючи клавішу Shift, обрати на зображенні першу та другу точку для одиничного відрізка. На відео з’явиться відрізок. Над відрізком необхідно в цифровому полі ввести значення довжини цього відрізка в метричній системі. Кінці відрізка можна вільно переміщувати «перетягуванням» по зображенню. Оберіть повторно кнопку Show, hide or create calibration tools . Одиничний відрізок зникне, але програма запам’ятає його положення та довжину.
  2. Для відстежування руху меніска оберіть у верхньому меню кнопку Create і у меню – Point Mass.
  3. У лівому кутку з’явиться вікно Track Control.
  4. Натисніть клавішу Shift. Курсор набуде вигляду невеликої рамки. Сумістіть цю рамку з положенням меніска в лівому коліні і натисніть ліву кнопку маніпулятора. На зображенні з’явиться маркер точки, і програма автоматично перейде на наступний кадр.
  5. Запишіть показ вимірника тиску до таблиці.
  6. Перемістіть повзунок на наступний кадр, обраний для аналізу, та повторіть попередні дії.
  7. Продовжуйте до останнього обраного кадру.
  8. У вікнах правої частини з’являться графік і таблиця, з якими надалі буде проводитися аналіз отриманих даних.
  9. Оберіть у вікні графіка вертикальну вісь y.
  10. У полі таблиць виділіть колонку зміщення.
  11. Далі оберіть 

і перенесіть значення в таблиці Excel. У таблицях перевірте, щоб перенесені значення сприймалися як числові дані.

Аналіз даних

  1. У математичних таблицях створіть колонку з даними для довжини стовпа повітря, віднявши від початкової довжини зміщення меніска.
  2. Сформуйте колонку з даними для виміряного тиску повітря.
  3. Задайте формулою операцію множення довжини стовпа і тиску повітря.
  4. Обрахуйте середнє значення добутку для всіх розглянутих випадків та обрахуйте відносну похибку.
  5. Порівняйте отримані дані та сформулюйте висновок до роботи.