Изготовление прибора по молекулярной физике для измерения молекулярной и относительной массы жидкости.

 

1. Роль физического эксперимента в процессе учебного познания.

 

Примерно к XVI—XVII векам сложился тот принцип физического  познания природы, который до сих  пор состоит на вооружении у науки  и который можно схематически проиллюстрировать вот так:

Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае, представляет собой некоторое число. Последнее проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае все возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент.

Постановка эксперимента показывают ключевую роль в процессе научного познания окружающего мира. Только с помощью эксперимента можно  проверить физическую модель. Чрезвычайно  важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, не качественные, а количественные. То есть представляют собой набор самых обыкновенных чисел. Поэтому сравнение вычисленных и измеренных результатов — вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.

Важным достоинством моделирования является конкретность и наглядность, способствующая лучшему  пониманию проблемы и постановке исследовательских задач. И, хотя школьное образование в большей степени связано с передачей уже накопленных знаний, моделирование явлений на уроках физики, астрономии и Естествознания весьма актуально, тем более, - в условиях все возрастающего потока информации и имеющей место формализованности содержания современного естественнонаучного образования. Хотелось бы подчеркнуть значимость легко воспроизводимых опытов, не требующих специальной техники и оборудованных кабинетов. Это важно не только в условиях недостаточной материальной базы, но и для развития системы домашних экспериментальных заданий, формирующих у учащихся активное мышление и навыки исследовательской работы.

Анализ  эксперимента позволили выявить  ряд факторов, обуславливающих необходимость  усиления внимания к физическому  эксперименту при обучении молекулярной физике:

1. Подход к изучению молекулярной физики на основе уравнений Менделеева и Клапейрона является недоступным для школьников, поэтому изучение донного раздела в школьном курсе физики возможно только на экспериментальной основе.

2. Молекулярные  явления могут быть исследованы при помощи статистического и термодинамического методов. Их усвоение требует от школьников высокого уровня мышления. Вместе с достаточно малой наглядностью молекулярных процессов создает определенные трудности у учащихся в приобретении знаний. Из этого следует, что в учебном процессе для обеспечения усвоения учащимися знаний по молекулярной физике нужно усилить роль физического  эксперимента.

3. Процесс подготовки  и проведения натурных демонстрационных  и лабораторных экспериментов  по молекулярной физике в школьных условиях в большинстве случаев сопровождается рядом трудностей:

- не все молекулярные  процессы можно показать в  условиях школьной физической  лаборатории из-за сложности,  громоздкости и высокой стоимости  оборудования;

- натурный эксперимент не всегда достаточно нагляден, что затрудняет  осмысление учащимися механизма возникновения и протекания изучаемых явлений;

- приборы сложны  и неудобны в обслуживания, тратится  большое время на управление  ходом демонстраций;

- учебный физический  эксперимент по молекулярной физике в школе носит, в основном, качественный характер, отражает только конечный результат. Количественная же сторона, механизм протекания явления или процесса, от понимания которого зависит глубина приобретенных знаний, остаются в стороне;

- для облегчения усвоения материала учащимися при изучении молекулярной физики иногда прибегают к использованию специальных средств наглядности (плакатов, видеофильмов и др.). Но видеофильмы тоже имеют определенные недостатки (часто видеоматериалы перегружены второстепенной информацией; отсутствует возможность влияния на содержание и темп подачи материала; зритель является пассивным наблюдателем).

4. Результаты  констатирующего исследования свидетельствуют  о том, что в настоящее время,  наиболее часто используемым методом обучения на уроках физики в школах является словесный. Демонстрационный эксперимент чаще описывается, чем показывается, что затрудняет учащимся осмысление механизма возникновения и протекания изучаемых явлений. Результаты исследования свидетельствуют и об отсутствии необходимых материальных условий для проведения физического эксперимента в школах (необходимые аппараты и приборы для эксперимента либо отсутствуют, либо устарели, и не могут полноценно выполнять свои функции).

Решение указанных проблем в сложивших условиях школ возможно за счет совершенствования экспериментальной поддержки обучения молекулярной физике с использованием компьютерных технологий в сочетании с реальным  физическим экспериментом.

 

 

1. 1  Методы исследования.

 

Статистический и термодинамический методы исследования. Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Для исследования этих процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй — термодинамики.

Молекулярная  физика — раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Процессы, изучаемые  молекулярной физикой, являются результатом  совокупного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа молекул, являясь статистическими закономерностями, изучаются с помощью статистического метода. Этот метод основан на том, что свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью хаотического движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Таким образом, макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Термодинамика — раздел физики, изучающий общие  свойства макроскопических систем, находящихся  в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический метод отличается от статистического. Термодинамика базируется на двух началах — фундаментальных законах, установленных в результате обобщения опытных данных.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики и химии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическим методом. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько ограничен: термодинамика ничего не говорит о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества. Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования.

Термодинамика имеет дело с термодинамической  системой — совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Основа термодинамического метода — определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния) — совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем.

Температура —  одно из основных понятий, играющих важную роль не только в термодинамике, но и в физике в целом. Температура  — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шкалы — термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). В Международной практической шкале температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013*10⁵ Па соответственно 0 и 100°С (реперные точки).

Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давления 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,16 К (точно). Градус Цельсия равен кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и в Международной практической шкале), поэтому, по определению, термодинамическая температура и температура по Международной практической шкале связаны соотношением

                                              Т = 273,15 + t.

Температура T = 0 К называется нулем кельвин. Анализ различных процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Удельный объем v — это объем единицы массы. Когда тело однородно, т. е. его плотность =const, то v=V/m=1/p. Так как при постоянной массе удельный объем пропорционален общему объему, то макроскопические свойства однородного тела можно характеризовать объемом тела.

Параметры состояния системы  могут изменяться. Любое изменение  в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из ее термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).

В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализированной моделью идеального газа, согласно которой считают, что:

1) собственный  объем молекул газа пренебрежимо  мал по сравнению с объемом  сосуда;

2) между молекулами газа  отсутствуют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул  газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как они в  условиях, близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при  низких давления» и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 1. Изготовление прибора по молекулярной физике для измерения молекулярной и относительной массы жидкости.

 

 

Для изготовления прибора для измерения массы жидкости необходимы следующие приборы и материалы:

1. лабораторный штатив с муфточкой или креплениями,
2. деревянная пластинка (ДСП) размерами: ширина 6 см, длина 34,5 см,
3. стеклянные трубочки (длина 29,3см, диаметр внутреннего отверстия 4мм),
4. медицинский жгут,
5. сосуд с плотной закрывающей крышкой (в наем случае это банка из мод системы) объемом 500 мл,
6. пластмассовая трубочка, 
7. микропипетка (шприц),
8. измерительная линейка,
9. изучаемая жидкость (спирт). 
1. На деревянной пластинке установим стеклянные трубочки, предварительно соединив их с двух концов жгутом (длиной приблизительно 7 см). Пластинку с помощью болтов  и шурупов  закрепили на штативе.

На конец  одной трубочки надели резиновый  жгут. Для того чтобы произвести взаимосвязь системы получившегося  «прибора» со стеклянным баллоном, другой конец жгута надели на пластмассовую  трубочку, один конец которой опущен в баллон. Чтобы измерения эксперимент удался необходимо добиться того, чтобы вся система не пропускала воздух. Увеличить точность результата можно за счет увеличения емкости баллона. Например, если использовать трехлитровую стеклянную банку, то вводимый объем жидкости можно увеличить в 3 раза.

2. Для упрощения измерения равности уровня воды на деревянную пластинку наклеили  измерительную линейку.

В лабораторной работе микропипетку мы заменили медицинским  шприцом.

Тема лабораторной работы разработанной на основе данного  прибора: Определение молярной массы спирта с помощью прибора для определения молярной массы жидкости.

Цель работы: определить молярную и относительную  молекулярную массу жидкости.

Оборудование: прибор для измерения молярной массы  жидкости, исследуемая жидкость (эфир, спирт и др.), термометр, мензурка.

 

2.Теоретическая часть

2.1. Опытные  законы идеального газа.

 

В XVII – XIX веках  были сформулированы опытные законы идеальных газов.       

 Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

1) Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.       

 Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V. Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля:       

 При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным:    .       

 График изохорического  процесса на РV-диаграмме называется изохорой. Полезно так же знать график изохорического процесса на РТ- и VT-диаграммах (рис. 1).       Уравнение изохоры:

(1)

 
Рис. 1

 

 

       Если температура  газа выражена в градусах Цельсия,  то уравнение изохорического  процесса записывается в виде 

(2)

где Р₀ – давление при 0°С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град^-1. График такой зависимости на Рt - диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 2.

 
Рис. 2.    

 

 

  2) Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.       

 Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р. Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака:       

 При постоянном  давлении и неизменных значениях  массы и газа и его молярной  массы, отношение объёма газа  к его абсолютной температуре  остаётся постоянным:         

 График изобарического  процесса на VT-диаграмме называется изобарой. Полезно знать графики изобарического процесса на РV- и РT-диаграммах (рис. 3).

 
Рис. 3.      

 Уравнение  изобары: 

.

(3)

 

       Если температура  газа выражена в градусах Цельсия, то уравнение изобарического процесса записывается в виде

(4)

где α =1/273 град ^-1- температурный коэффициент объёмного расширения. График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рис.4

 
Рис. 4.      

3) Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. .       

 Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.       

 Поведение  идеального газа при изотермическом  процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:       

 При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.       

 График изотермического  процесса на РV-диаграмме называется изотермой. Полезно знать графики изотермического процесса на VT- и РT-диаграммах (рис. 5.).

 
Рис. 5.      

 Уравнение  изотермы:

(5)

 

       4) Адиабатический процесс (изоэнтропийный):       

 Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.       

5) Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.       

6) Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N_A=6,02·10²³молекул (число Авогадро).       

7) Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:

(6)

 

       Парциальное давление Pn – давление, которое оказывал  бы данный газ, если бы он  один занимал весь объем. 

 При,  давление  смеси газов: 

(7)

 

       8) Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона).

В соответствии с законами Бойля – Мариотта (5) и Гей-Люссака (3) можно сделать заключение, что для данной массы газа

(8)

 

2.2.Изучение закона Менделеева – Клапейрона

 

Уравнение, связывающее  основные параметры состояния идеального газа, вывел великий русский ученый Д.И. Менделеев.       

 Менделеев  объединил известные нам законы  Бойля – Мариотта, Гей-Люссака  и Шарля с законом Авогадро. Уравнение, связывающее все эти  законы, называется уравнением Менделеева  – Клапейрона и записывается  так: 

(9)

здесь - число молей. Если обозначим – плотность газа, то

(10)

 

 

Ход работы:

 

Установку собирают, как показано на рисунке (6).

 

 

1. В микропипетку набирают 0,1 мл спирта, пробку микропипетки плотно вставляют в отверстие крышки баллона и спирт вводят в баллон. При этом предварительно определите  число капель спирта в 1 см³ (в нашем варианте 9 капель).
2. Когда показание манометра достигнет максимального значения, отсчитывают давление, измеряя линейкой разность уровней воды в манометре.
3. Вынимают пробку с микропипеткой и повторяют измерения несколько раз.
4. Определяют объем баллона, наполнив его водой, которую затем переливают в мензурку .

Для работы с  другой жидкостью необходимо баллон тщательно промыть.

5. Подсчитайте молярную массу спирта .

Для определения  молярной массы спирта можно использовать и прибор по изучению свойств газов.

 

 

 

 

3. Расчет молекулярной и относительной массы жидкости.

 

В лабораторной работе для спирта возможны следующие  результаты:

 

№	Vж,       (м3)	h,          (м)	Vг,           (м3)	T,         (K)	ρ     (кг/м3)	M, (кг/моль)	e,          (%)
1		20,5·10-2				0,45782
2		19,9·10-2				0,47163
3		20,2·10-2				0,46462
4		20,7·10-2				0,45340
5		20,6·10-2				0,45560
Ср.	0,100·10-6	20,38·10-2	2040·10-6	288	800	0,460614	0,72

 

Молярную массу  найдем из уравнения Менделеева-Клапейрона

 

где - масса жидкого эфира.

М ₁ =(800*0,0000001*8,31*288)/(0,00205*100000*0,002040) = 0,45782 (кг/моль)

М ₂ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00199*100000*0,002040) = 0,47163 (кг/моль)

М ₃ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00202*100000*0,002040) = 0,46462 (кг/моль)

М ₄ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00207*100000*0,002040) = 0,45340 (кг/моль)

М ₅ = (800*0,0000001*8,31*288)/(0,00206*100000*0,002040) = 0,45560 (кг/моль)

Найдем абсолютную погрешность равную

где - коэффициент Стьюдента для 5 измерений он равен 2,5.

Вычислим относительную  погрешность молярной массы из следующей  формулы

 

Заключение

 

В данной курсовой работе был рассмотрен раздел молекулярной физики, молекулярно- кинетическая теория идеальных газов для определения молекулярной и относительной массы жидкости. При выполнении лабораторной работы, как с реальными физическими приборами, так и с компьютерными моделями, была организована исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Осуществлены все этапы: постановка задачи, планирование эксперимента, выбор средств выполнения эксперимента, сборку установки, наблюдения и измерения, фиксацию и анализ результатов эксперимента, выводы.

С помощь сконструированной  установки экспериментально был  доказан закон идеальных газов  – закон  Менделеева – Клапейрона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

 

Менделеев Дмитрий Иванович (1834–1907) – русский ученый. Работы – преимущественно в области химии, а также физики, метрологии, метеорологии. Открыл в 1869 году один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов и на его основе создал периодическую таблицу химических элементов. Исправил значения атомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых. Предсказал существование критической температуры. В области метрологии разработал физическую теорию весов.

Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799–1864) – французский физик и инженер. Физические исследования посвящены теплоте, пластичности и равновесию твердых тел. Придал математическую форму идеям Н. Карно, первым оценил большое научное значение его труда. Вывел уравнения состояния идеального газа. Впервые ввел в термодинамику графический метод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1. Средства и материалы предназначенные  для сборки прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 2. Прибор по молекулярной физике для измерения молекулярной и относительной массы жидкости

 

 

  
Список использованной литературы.

 

1. Физика 9-го  класса.

2.Курс физики: учеб. пособие для вузов / Трофимова  Т.И., М - : Издательский центр «Академия», 2006, 560с.

               3. Теория и методика обучения  физике в школе: общие вопросы/  С.Е.Каменецкий, Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская и др., М.,2000, 368с.

4. Физический  практикум для классов с углубленным  изучением физики /под ред. Ю.И.Дик,  О.Ф.Кардина, М.,1993,208с

5. Методика факультативных  занятий по физике /под ред.  О.Ф.Кабардина, В.А. Орлова, М.,1988, 240с.

6. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе: 6-7 кл., М.,1988, 175с.

               7. Основы методики преподавания физики в средней школе/под ред. А.В.Перышкина и др., М.,1984,398с

8. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе: теоретические основы, М.,1981,288с.

9. Демонстрационный  эксперимент по физике в средней  школе/под ред. А.А.Покровского,  М., 1978,1979,ч.1,2