«Первые шаги в науку» «Эти замечательные свойства газов и жидкостей»

XII городская научно-практическая конференция школьников
«Первые шаги в науку»
Группа: «Юный исследователь»
Секция: физика
Название работы:
«Эти замечательные свойства газов и жидкостей»
Автор работы:
Романов Михаил Михайлович
Г.о. Тольятти МБУ «Школа №21», 8 «Г» класс
Соавтор работы:
Торпова Алёна Сергеевна
Г.о. Тольятти МБУ «Школа №21», 8 «Г» класс
Научный руководитель:
Катрыч Татьяна Владимировна
Преподаватель, МБУ «Школа №21»
Тольятти
2016
Содержание
Введение3
Цель и задачи4
Глава I. (теоретическая)5
Глава II. (практическая)6
Заключение11
Список литературы12
Приложение13

I.Введение
В науке физике, как известно, используются два основных метода исследования: физический эксперимент и теоретический анализ. Важнейший из них, на наш взгляд, – эксперимент. Об этом говорят и сами физики-теоретики, например, выдающиеся ученые, заложившие основы современных физических теорий. «Все познание реального мира исходит из опыта и завершается им,» - писал А. Эйнштейн. Со временем все теории неизбежно уточняются, дополняются, совершенствуются, иногда существенным образом видоизменяются, а иногда и терпят крах. И причиной тому всегда являются новые опытные факты, получаемые физиками-экспериментаторами. Так развитие теплотехники началось после опытного установления газовых законов и законов термодинамики; электротехники - с открытием теплового, химического и магнитного действия тока; развитие оптики – с экспериментального установления законов отражения и преломления света, явлений интерференции, дифракции, поляризации света, фотоэлектрического эффекта.Нас постоянно окружают разнообразные газы и жидкости, и нам стало любопытно изучить их свойства. Поэтому мы подготовили несколько интересных опытов и занимательных экспериментов, используя доступное физическое оборудование.
II. Цель и задачи
Цель: исследовать свойства газов и жидкостей.
Задачи:
- изучить теоретические сведения;
- подобрать оборудование для исследовательских опытов и экспериментов по МКТ;
- провести опыты;
- создать видеозадачник по МКТ.
III. Глава I (теоретическая)
Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов («элементарных молекул»). Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.
Газовые законы:
Изотермический процесс. Процесс изменения состояния системы макроскопических тел (термодинамической системы) при постоянной температуре называют изотермическим. Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно. (закон Бойля – Мариотта)
pV = constИзобарный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным  Для газа данной массы при постоянном давлении отношение объема к температуре постоянно ( закон Гей-Люссака)
VT=const Изохорный процесс. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется (закон Шарля):
pV=constУравнение Клапейрона-Менделеева:
pV=mRTMIV. Глава 2 (практическая)
Опыт: «Исследование зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре».
Исследуем, как зависит давление воздуха в сосуде с гофрированными стенками от его объёма. Объём можно изменять с помощью ворота, находящегося в верхней части прибора. Судить об изменении объёма мы можем по шкале, находящейся сбоку. Поворачивая ворот в одну сторону, мы уменьшаем объём, в другую увеличиваем. Измерять давление в этом опыте мы будем манометром. Для этого соединим его с цилиндром с помощью шланга. Заметим, что в начале опыта цилиндр растянут до верхней отметки, а манометр показывает ноль. Обратите внимание, что манометр в данном опыте показывает разницу между атмосферным давлением и давление воздуха в цилиндре. Начнём уменьшать объём воздуха в приборе, при этом его давление начнёт расти. Когда мы уменьшим объём воздуха на два деления, его давление возрастет на 0,2 доли атмосфер. При дальнейшем уменьшении объёма его давление продолжает расти. Если мы будем возвращать цилиндр в исходное положение, то его давление начнёт уменьшаться и вскоре приравняется к атмосферному.
Из данного опыта следует, что чем меньше объём воздуха, тем большее давление он оказывает на стенки сосуда при неизменной температуре.
Решите задачу: расчёт глубины озера.
Условие: объём пузырька воздуха по мере всплывания со дна озера на поверхность увеличивается в n раз. Какова глубина озера?
Задача простая, ведь для того , чтобы её решить надо записать только одну формулу:
p1V1=p2V2
формулу изотермического процесса. Для определения глубины , надо определить начальное и конечное давление воздуха внутри пузырька.
Конечное давление равно атмосферному, то для того чтобы определить давление на глубине надо применить формулу гидростатического давления:
p=ρghДалее, путём математических действий, определяем искомую физическую величину глубину озера.
p1V1 = p2V2V2 = nV1p1 = pатм+ ρghp2 = pатм(pатм+ ρgh) V1 = pатм nV1ρgh = npатм- pатмh=npатм-pатмρg
2. Опыт: «Исследование зависимости давления газа от его температуры при постоянном объеме».
Для проведения опыта нам понадобится: манометр, металлический цилиндр с гофрированными стенками, пластиковый сосуд и горячая вода.
Поместим цилиндр в пластиковый сосуд. Цилиндр соединен с манометром через шланг. Кран, соединяющий манометр с внешним пространством перекроем.
В исходном состоянии давление воздуха внутри цилиндра равно атмосферному, избыточного давления нет, поэтому стрелка манометра показывает ноль.
Изменим температуру воздуха внутри цилиндра. Для этого зальём в сосуд горячей воды.
Обращаем внимание на то, что по мере прогрева воздуха в цилиндре — его давление возрастает. Отметим, что объём воздуха в цилиндре не изменялся. Это означает, что изменение давления воздуха произошло вследствие его температуры.
Таким образом, давление напрямую зависит от температуры, чем выше температура, тем больше давление при неизменном объёме.
Из данного опыта следует, что чем меньше объём воздуха, тем большее давление он оказывает на стенки сосуда при неизменной температуре.
Вопрос: можно ли с помощью изохорного процесса ( закона Шарля ) объяснить для чего, перед использованием медицинской банки, внутрь неё вносят горящий, смоченный спиртом, ватный тампон.
Ответ: В результате нагревания давление внутри банки увеличивается , а в приложенной к телу остывающей медицинской банке давление воздуха становится меньше атмосферного и поэтому нагретая медицинская банка "присасывается к телу"
3. Опыт: «Исследование зависимости объема газа от температуры при постоянном давлении».
Основу установки для наблюдения изобарного процесса составляют колба, заткнутая резиновой пробкой, в пробку вставлена изогнутая трубка свободный конец, который открыт. В трубку помещена подкрашенная капелька воды. Слева на каплю действует атмосферное давление, справа давление воздуха в колбе. Если давление в колбе изменится, то капля начнёт двигаться до тех пор, пока давление воздуха в колбе не сравняется с атмосферным. Добавим в сосуд холодной воды. Воздух в колбе охладится, новое положение капли указывает на уменьшение его объёма. Добавим горячей воды. Воздух прогреется, и капля снова придёт в движение. По новому положению капли можно судить об увеличении объёма воздуха. Этот опыт наглядно показывает, что объём воздуха увеличивается или уменьшается каждый раз, когда увеличивается или уменьшается температура.
Вопрос: объясните зависимость между объемом и температурой газа при постоянном давлении. Приведите простейшие примеры изобарного процесса.
Ответ: Изобарный процесс - процесс, происходящий в термодинамической системе при постоянном внешнем давлении. Простейший пример изобарного процесса - расширение газа в цилиндре со свободно ходящим поршнем. В этом случае давление равно атмосферному. Объём идеального газа при изобарном процессе пропорционален температуре
4. Исследовательский эксперимент: «Определение избыточного давления по отношению к атмосферному давлению в детском воздушном шарике».
Условие: Используя уравнение Менделеева - Клапейрона и один из основных газовых законов, рассчитайте избыточное давление по отношению к атмосферному давлению в детском воздушном шарике.
Приборы и материалы:
Детский воздушный шарик;
весы и набор гирь;
нить;
линейка;
термометр
Решение:
Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует:
∆p=p1-p0=m1MRTV-m0MRTV=RTVM(m1-m0),
где m1 – масса воздуха в шаре объема V при давлении p1, m0 – масса воздуха в шаре того же объема при атмосферном давлении p0. Измерим разность масс ∆m=m1-m0. Взвешивая воздушный шар, получим: m2=m1+mш-m0, где m2 – масса гирь при взвешивании надутого шара, mш - масса шара , найденная взвешиванием шара после выпускания из него воздуха. Отсюда следует, что m1-m0= m2-mш= ∆m.
Определим объём надутого шара. V – объём надутого шара определяется при его сферической форме по формуле:
V=43πR03=43πl38π3=l36π2Где l = 2πR0 – длина окружности максимального сечения шара, измеренного с помощью нити и линейки.
Так как реальная форма не сферическая, то l можно определить как среднее арифметическое между длинами окружностей двух взаимноперпендикулярных сечений.
mш = 820 мг
m2 = 1050 мг
l1 = 59,7 см
l2 = 48,5 см
l = (59,7 + 48,5) : 2 = 54,1 см = 0,541 м
V=l36π2=0,5413м36∙3,142=0,158340421м359,16=0,0026764м3T = 21оС + 273 = 294 K
∆p=RTMVm1-m0=8,31Дж∙мольК∙294 К0,029кгм3∙0,0026764м3∙0,00023 кг=7239,81 Па≈54,3 мм рт. ст.Значимость эксперимента заключается в приобретении навыка использования газовых законов при решении физических задач.
Опыт: «Кипение воды при пониженном давлении»
Можно ли вскипятить воду снегом? Сейчас мы это проверим.
Налейте в колбу воды до половины и доведите до кипения. Когда вода в колбе закипит, прекратите нагревать ее и плотно закройте пробкой. Теперь переверните колбу и ждите, пока кипение внутри нее прекратится. Теперь начинаем обливать колбу холодной водой. Вода внутри колбы закипает.
Вопрос: объясните почему вода закипает?
Ответ: Вскипятить воду снегом можно. Разгадка в том, что снег (холодная вода) охладил стенки колбы, вследствие этого, пар внутри сгустился в водяные капли. А так как воздух из стеклянной колбы был выгнан еще при кипячении, то теперь вода подвержена в нем гораздо меньшему давлению. Но известно, что при уменьшении давления на жидкость она кипит при температуре более низкой. Мы имеем, следовательно, в нашей колбе хотя и кипяток, но кипяток негорячий.
Опыт: «Нагревание воды кипятком»
Можно ли вскипятить воду кипятком? Сейчас мы это проверим.
Для проведения опыта мы взяли колбу, наполненную водой, в которую поместили пробирку с водой Когда вода в колбе закипит, то, казалось бы, вслед за тем должна закипеть и вода в пробирке. Можете, однако, ждать, сколько вам угодно, - вы не дождетесь этого: вода в пробирке будет горяча, очень горяча, но кипеть она не будет. Кипяток оказывается недостаточно горячим, чтобы вскипятить воду. Результат как будто неожиданный, между тем его надо было предвидеть. Чтобы довести воду до кипения, недостаточно только нагреть ее до 1000 С: надо еще сообщить ей значительный запас тепла для того, чтобы перевести воду в другое агрегатное состояние, а именно в пар. Чистая вода кипит при 1000С; выше этой точки ее температура при обычных условиях не поднимается, сколько бы мы ее ни нагревали. Значит, источник теплоты, с помощью которого мы нагреваем воду в пробирке, имеет температуру 1000; он может довести воду в пробирке также только до 1000.
Итак, нагревая воду в пробирке таким способом, мы не можем доставить ей того избытка теплоты, который необходим для перехода воды в пар (каждый грамм воды, нагретый до 100°, требует еще свыше 500 калорий, чтобы перейти в пар).
Итак, вскипятить воду кипятком нельзя.
Опыт: «Работа газа при расширении»
Для проведения опыта мы взяли пробирку, в которую залили воду и плотно закрыли пробкой. Вода в пробирке доведена до состояния кипения. Под давлением газа, то есть водяного пара, пробка должна вылететь из пробирки.
Как вы можете видеть, пробка вылетела.
Объясните, какие превращения энергии произошли в данном опыте? В основе какого изобретения лежит данный опыт?
Ответ: Энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. Пар, расширяясь, вытолкнул пробку. Таким образом, внутренняя энергия пара перешла в кинетическую энергию пробки.
Данный опыт лежит в основе изобретения теплового двигателя. Если заменить пробирку металлическим цилиндром, а пробку — поршнем, то получается простейший тепловой двигатель.
V. Заключение
В ходе нашего исследования мы изучили газовые законы, исследовали некоторые свойства жидкостей и газов, приобрели важные экспериментальные навыки, провели исследовательский эксперимент , сняли видеоопыты.
Наша научно-творческая работа представляет собой видеозадачник по разделу «МКТ»
Структура видеозадачника такова: сначала демонстрируется опыт, потом задается проблемный вопрос; также имеется ключ, где идёт объяснение видеоопыта.
Видеозадачник содержит исследовательские опыты:
исследование зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре;
исследование зависимости давления газа от его температуры при постоянном объеме;
исследование зависимости объема газа от температуры при постоянном давлении»;
кипение воды при пониженном давлении;
нагревание воды кипятком;
работа газа при расширении.
Работа над видеозадачником сделала нашу работу осмысленной и творческой, что помогло нам глубже понять и изучить материал. Использование видеозадачника помогает проще разобраться со сложными опытами.
Материалы нашей работы можно использовать на уроках в качестве демонстрационного материала , что несомненно вызывает интерес у одноклассников.
VI. Список литературы
А. В. Перышкин. Физика.8 класс.2006 год.
Э.Роджерс. Физика для любознательных. Том 2. Издательство «Мир» Москва.
Я.И. Перельман. Занимательная физика. Книга 1. 1994.
Сборник экспериментальных заданий для подготовки к государственной итоговой аттестации в 9 классе. Моска, Санкт-Петербург « Просвещение» 2012 год.
Уокер Дж. Физический фейерверк/ Дж. Уокер, под реакцией И.Ш. Слободецкого. М.: мир 1998 год.