Проектная работа по физике. Методика проведения эксперимента по определению атмосферного давления

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Школа №18 города Тореза»

Донецкая Народная Республика

Проектная работа (конкурс №2)

XXIV Интеллектуальный турнир памяти профессора Льва Михайловича Лоповка

«Погружение в физику»

Pуководитель:

Кулакова Юлия Васильевна

Задание №1

Разработайте методику проведения эксперимента по определению атмосферного давления. Использование барометра-анероида запрещается.

Выполнение:

Ориентируясь на опыт Торричелли и созданный по его образцу простейший барометр-анероид, я собрала подобную конструкцию из подручных средств. Для этого я взяла пустую бутылку объемом 0,5 литров, налила в неё 0,25 литров, окрашенной спиртовым раствором бриллиантового зеленого, воды. После этого мной была взята медицинская система, разрезанная пополам, которую я вставила в крышку из-под этой бутылки, в которой было просверлено два отверстия диаметром 5 мм. каждое.

Собираем детали в единую конструкцию (хотелось бы уточнить, что с первой трубки воздух должен выкачиваться, а в другую за счет этого будет поступать окрашенная вода). После этого я прикрепила трубу с мерной шкалой, закрепив конструкцию, и зафиксировала её. Из пенопласта был сделан «термос», который сохранял температуру жидкости в бутылке, благодаря которому сохранялось давление.

Прибор представляет из себя такую конструкцию:

И как видно, при нормальной температуре в классе, давление составляет 100 мм.вод.ст.

Задание №2

Проведите измерения атмосферного давления при разных температурах воздуха, а также на различных высотах над поверхностью Земли.

Выполнение:

1) Проведение измерений атмосферного давления при разных температурах воздуха.

Исходя из опыта Торричелли, проведенного с целью доказать наличие атмосферного давления, заменим ртуть, плотность которой равна 1354 кг/м³ водой с плотностью 997 кг/м³, что в 13,5 меньше ртути.

Опыт Торричелли заключался в построении примитивного барометра (ртутного). Исходя из разницы в плотности ртути и воды, соотношения в проведенных далее опытах – 1:13,5.

В теории: известно, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке:

Р= ρ_ртути= ρ*g*h=13540*9,8*0,76=100845,92 Па

Рассчитывая по этой формуле, заменив ртуть водой, получили:

при 17^оС ρ*g*h=998,80*9,8*10,26=100427,342 Па=753,26 мм.рт.ст

при 22^оС ρ*g*h=997,80*9,8*10,26=100326,794 Па=752,51 мм.рт.ст

10,26м-это высота трубки, по которой я рассчитывала, но собрав конструкцию стала понятно, что она очень большая, поэтому я заменила её медицинской системой, длина которой равна 1.2 м.

при 17^оС ρ*g*h=998,80*9,8*1,2=11745,88 Па=1197,77 мм.вод.ст

при 22^оС ρ*g*h=997,80*9,8*1,2=11734,13 Па=1196,58 мм.вод.ст

Это то, что мы получили в теории. Теперь посмотрим, что же получилось на практике.

Опыт проводится в маленькой комнате (S=34,8 м²) по углам которой повешены 2 термометра. Повышаем температуру с 17^оС до 22^оС.

Проводя эксперимент стало понятно, что получившие данные в теории не соответствуют действительности. Видно, что при температуре 22^оС давление стало больше 100 мм.вод.ст (хотя в самом начале оно было ровно 100 мм.вод.ст.)

Подводя итог экспермента можно сказать, что с повышением температуры давление тоже повышается, исходя из формулы.

2) Проведение измерений атмосферного давления на различных высотах над поверхностью Земли.

Атмосферное давление на поверхности Земли было 105 мм.вод.ст

Чтобы понять измениться или нет атмосферное давление на большой высоте от поверхности Земли, я поднялась на крышу девятиэтажки, высота которой 30 метров.

Атмосферное давление понизилось до 84 мм.вод.ст.

Подводя итог экспермента можно сказать, что с повышением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление понижается.

Задание №3

Проведите дополнительные теоретические исследования воздуха в комнате.

Выполнение:

1) Оцените число молекул воздуха в комнате.

Дано: S_{комнаты}=34,8 м² V=111,36 м³ Т=22^оС=295,15 К Р=100326,749 Па (по воде)

Найти: N-?

Решение:

1.Запишем формулу связи давления идеального газа p с концентрацией молекул n и температурой T:

p=nkT (1)

Здесь k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^-23 Дж/К.

2. Концентрацию молекул n можно найти по следующей формуле:

n=

В этой формуле N – число молекул, V – объем газа. Полученное выражение для нахождения концентрации подставим в формулу (1), тогда получим:

p=kT

Откуда число молекул N равно:

N=

3. Вычисления

N==2,743*10²⁷

Число молекул в физике является безразмерной величиной.

Ответ: N=2,743*10²⁷

2) Рассчитайте, на сколько изменится внутренняя энергия воздуха в комнате, если включить нагреватель и повысить температуру на T.

Решение:

Реальная комната не является герметической, она непрерывно обменивается воздухом с окружающей средой, так что давление остается постоянным и равным атмосферному. Объем комнаты также постоянен. Используя уравнение состояния идеального газа:

Внутреннюю энергию воздуха в комнате можно вычислить по формуле:

Эту формулу можно получить из следующих соображений. В изохорном процессе механическая работа не совершается, поэтому прирост внутренней энергии обусловлен только поглощением тепла:

Таким образом, поскольку переменные  и  в правую часть входят в виде произведения, которое в нашем случае не меняет своего значения, то при изменениях температуры внутренняя энергия воздуха в комнате остается постоянной.

Ответ: Внутренняя энергия будет постоянна при изменениях температуры.

3) Рассчитайте количество теплоты, необходимое для повышения температуры воздуха в комнате от Т1 до Т2.

Дано: V=111,36 м³ t=5^оС (от 17^оС до 22^оС) ρ=1,29 (воздуха) с=1,3

Найти: Q-?

Решение:

Q=c*ρ*V*t

Q=1300*1,29*111,36*5=933753,6 Дж934 кДж

Ответ: Q=934 кДж

4) Каков характер зависимости температуры воздуха в комнате от полученного количества теплоты?

При выделении большого количества теплоты температура будет повышается.

5) Как будет изменяться температура в зависимости от времени, если в комнате включить нагреватель постоянной мощности?

Пусть постоянный источник тепла сообщает постоянное количество теплоты Q=934 кДж. Процесс нагревания комнаты будет изохорный – постоянный объем при изменении температуры от времени (закон Шарля) и масса газа тоже постоянна.

С течением времени при постоянной подаче тепла температура будет увеличиваться (потерю тепла за счет теплоотдаче не учитывать)

Задание №5

Сделайте выводы по результатам экспериментальных и теоретических исследований.

Вывод:

В ходе проведения работы были проведены теоретические и экспериментальные исследования:

1. Теоретически было рассчитано давление при разных температурах воздуха, в результате чего, после экспериментального исследования, было установлено, что показатели в теории не соответствуют показаниям в действительности. Также был сделан вывод от том, что с повышением температуры давление тоже повышается

2. Экспериментальным путем было измерено давление на разных высотах над поверхностью Земли. Также был сделан вывод от том, что с повышением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление понижается.

3. Были сделаны теоретические расчёты:

1. Количества молекул в комнате

2. Определена зависимость внутренней энергии от изменения температуры. Был сделан вывод, что внутренняя энергия будет постоянна при изменениях температуры.

3. Расчёты количества теплоты, при повышении температуры.

4. Определена зависимость температуры воздуха от полученного количества теплоты. Был сделан вывод, что при выделении большого количества теплоты температура повышается.

5. Определена зависимость температуры воздуха от времени (при включении источника энергии постоянной мощности). Сделан вывод о том, что с течением времени температура будет увеличиваться.