Лабораторная работа 2, страница 10 - гдз по физике 8 класс тетрадь для лабораторных работ Исаченкова, Громыко

Проверьте себя

1. Что выражает удельная теплоемкость вещества?

Удельная теплоемкость вещества ($c$) выражает количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы данного вещества для изменения его температуры на один градус Цельсия (или Кельвина). Это фундаментальная физическая характеристика вещества, которая показывает, насколько "теплоемким" является данное вещество, то есть как много энергии требуется для его нагрева.

Ответ: Количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 °С.

2. Как зависит удельная теплоемкость от массы вещества, изменения его температуры и рода вещества?

Удельная теплоемкость является удельной характеристикой, то есть она не зависит от массы вещества и изменения его температуры. Это свойство, присущее конкретному веществу. Однако удельная теплоемкость существенно зависит от рода вещества, так как разные вещества имеют различные молекулярные структуры и, следовательно, по-разному аккумулируют тепловую энергию. Например, удельная теплоемкость воды значительно отличается от удельной теплоемкости меди.

Ответ: Удельная теплоемкость не зависит от массы вещества и изменения его температуры, но зависит от рода вещества.

Ход работы

I. Приборные измерения и вычисления.

1. С помощью мензурки измерьте и влейте в калориметр воду комнатной температуры объемом V = 150-180 мл. Измерьте массу m₁ воды. Значения объема и массы запишите в таблицу.

Для измерения объема воды следует использовать мензурку, налив воду до отметки в указанном диапазоне (150-180 мл). Затем эту воду необходимо взвесить на весах для определения ее массы $m_1$. Для перевода объема в массу можно использовать плотность воды, которая при комнатной температуре примерно равна $1000 \text{ кг/м}^3$ (или $1 \text{ г/см}^3$). Например, если объем $V = 150 \text{ мл} = 150 \text{ см}^3 = 0.000150 \text{ м}^3$, то масса $m_1 = \rho_{воды} \cdot V = 1000 \text{ кг/м}^3 \cdot 0.000150 \text{ м}^3 = 0.150 \text{ кг}$. Полученные значения $V$ и $m_1$ заносятся в соответствующие столбцы таблицы.

Ответ: Измерить объем воды мензуркой, перелить в калориметр, измерить массу воды весами. Записать $V$ (в м³) и $m_1$ (в кг) в таблицу.

2. Измерьте и запишите в таблицу значение температуры t₁ воды.

Термометр погружается в воду в калориметре, и после установления равновесия (когда показания термометра перестанут меняться) фиксируется начальная температура воды $t_1$. Это значение записывается в таблицу.

Ответ: Измерить начальную температуру воды $t_1$ термометром и записать в таблицу.

3. Подойдите с калориметром к столу учителя и из сосуда с кипящей водой за нить достаньте цилиндр и сразу же погрузите его в калориметр. Запишите в таблицу значение температуры цилиндра, равное значению температуры t₂ кипящей воды.

Металлический цилиндр нагревается в кипящей воде, поэтому его начальная температура $t_2$ принимается равной температуре кипения воды, которая при нормальном атмосферном давлении составляет $100 \text{ °С}$. Цилиндр быстро переносится из кипящей воды в калориметр с водой для минимизации потерь тепла. Значение $t_2$ заносится в таблицу.

Ответ: Принять температуру цилиндра $t_2$ равной температуре кипящей воды ($100 \text{ °С}$) и записать в таблицу.

4. Опустите в калориметр с погруженным цилиндром термометр и, осторожно перемешивая им воду, наблюдайте за повышением температуры в калориметре. Измерьте и запишите в таблицу значение установившейся температуры t₃.

После погружения горячего цилиндра в воду калориметра происходит теплообмен: цилиндр отдает тепло воде, и температура воды повышается. Термометр должен быть помещен в воду, и ее следует осторожно перемешивать для равномерного распределения тепла. Нужно наблюдать за показаниями термометра до тех пор, пока температура не достигнет максимального значения и не начнет снижаться (из-за теплообмена с окружающей средой) или стабилизируется. Это максимальное установившееся значение температуры $t_3$ фиксируется и записывается в таблицу.

Ответ: Измерить установившуюся температуру $t_3$ после погружения цилиндра и записать в таблицу.

5. Вычислите и запишите в таблицу изменение температуры воды Δt₁ = t₃ - t₁.

Дано:

Начальная температура воды: $t_1$ (из таблицы, в °С)

Конечная установившаяся температура: $t_3$ (из таблицы, в °С)

Перевод в СИ:

Температуры остаются в °С, так как изменение температуры $\Delta T$ в Кельвинах равно изменению температуры в градусах Цельсия $\Delta t$.

Найти:

Изменение температуры воды: $\Delta t_1$

Решение:

Изменение температуры воды рассчитывается как разность между установившейся конечной температурой и начальной температурой воды.

$\Delta t_1 = t_3 - t_1$

Полученное значение $\Delta t_1$ заносится в соответствующий столбец таблицы.

Ответ: Вычислить $\Delta t_1 = t_3 - t_1$ и записать в таблицу.

6. Вычислите и запишите в таблицу изменение температуры цилиндра Δt₂ = t₃ - t₂.

Дано:

Начальная температура цилиндра: $t_2$ (из таблицы, в °С)

Конечная установившаяся температура: $t_3$ (из таблицы, в °С)

Перевод в СИ:

Температуры остаются в °С.

Найти:

Изменение температуры цилиндра: $\Delta t_2$

Решение:

Изменение температуры цилиндра рассчитывается как разность между установившейся конечной температурой и начальной температурой цилиндра. Поскольку цилиндр остывает, $\Delta t_2$ будет отрицательным. Однако в формуле для удельной теплоемкости используется модуль изменения температуры, поэтому можно использовать $|\Delta t_2| = |t_3 - t_2| = t_2 - t_3$.

$\Delta t_2 = t_3 - t_2$ (для дальнейших расчетов используется $|\Delta t_2| = t_2 - t_3$)

Полученное значение $\Delta t_2$ (или $|\Delta t_2|$) заносится в соответствующий столбец таблицы.

Ответ: Вычислить $\Delta t_2 = t_3 - t_2$ (или $|\Delta t_2| = t_2 - t_3$) и записать в таблицу.

7. Достаньте цилиндр из калориметра и, промокнув его салфеткой, измерьте на весах и запишите в таблицу значение его массы m₂.

После завершения теплообмена цилиндр аккуратно извлекается из воды, осушается салфеткой (чтобы избежать включения массы воды в измерения) и взвешивается на весах для определения его массы $m_2$. Масса $m_2$ заносится в таблицу.

Ответ: Измерить массу цилиндра $m_2$ весами и записать в таблицу.

8. По формуле Q₁ = c₁m₁Δt₁, где c₁ – удельная теплоемкость воды ($c_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$), вычислите и запишите в таблицу значение количества теплоты, полученного водой.

Дано:

Удельная теплоемкость воды: $c_1 = 4200 \text{ Дж/(кг} \cdot \text{°С)}$

Масса воды: $m_1$ (из таблицы, в кг)

Изменение температуры воды: $\Delta t_1$ (из таблицы, в °С)

Перевод в СИ:

Все величины уже приведены в единицах СИ или совместимых с ними: $c_1$ в Дж/(кг·К), $m_1$ в кг, $\Delta t_1$ в К (изменение температуры в °С численно равно изменению в К).

Найти:

Количество теплоты, полученное водой: $Q_1$

Решение:

Количество теплоты, полученное водой, рассчитывается по формуле: $Q_1 = c_1 m_1 \Delta t_1$

Подставьте численные значения из таблицы и рассчитайте $Q_1$. Полученное значение $Q_1$ (в Джоулях) заносится в таблицу.

Ответ: Вычислить $Q_1 = c_1 m_1 \Delta t_1$ и записать в таблицу.

9. Принимая количество теплоты Q₁, полученное водой, равным модулю количества теплоты $|Q_2|$, отданного металлическим цилиндром ($|Q_2| = c_2 m_2 |\Delta t_2|$), определите и запишите в таблицу значение удельной теплоемкости вещества цилиндра $c_2 = \frac{Q_1}{m_2 |\Delta t_2|} = \frac{c_1 m_1 \Delta t_1}{m_2 |\Delta t_2|}$.

Дано:

Количество теплоты, полученное водой: $Q_1$ (из предыдущего расчета, в Дж)

Масса цилиндра: $m_2$ (из таблицы, в кг)

Модуль изменения температуры цилиндра: $|\Delta t_2| = t_2 - t_3$ (из таблицы, в °С)

Перевод в СИ:

Все величины уже в единицах СИ или совместимых с ними.

Найти:

Удельная теплоемкость вещества цилиндра: $c_2$

Решение:

Согласно закону сохранения энергии (при условии идеального калориметра, где теплообмен происходит только между водой и цилиндром), количество теплоты, отданное цилиндром, равно количеству теплоты, полученному водой:

$Q_1 = |Q_2|$

Формула для количества теплоты, отданного цилиндром, имеет вид: $|Q_2| = c_2 m_2 |\Delta t_2|$

Приравнивая $Q_1$ и $|Q_2|$, получаем: $c_2 m_2 |\Delta t_2| = Q_1$

Отсюда выражаем удельную теплоемкость цилиндра $c_2$: $c_2 = \frac{Q_1}{m_2 |\Delta t_2|}$

Также можно подставить выражение для $Q_1$: $c_2 = \frac{c_1 m_1 \Delta t_1}{m_2 |\Delta t_2|}$

Подставьте численные значения из таблицы и рассчитайте $c_2$. Полученное значение $c_2$ (в Дж/(кг·°С)) заносится в таблицу.

Ответ: Вычислить $c_2 = \frac{Q_1}{m_2 |\Delta t_2|} = \frac{c_1 m_1 \Delta t_1}{m_2 |\Delta t_2|}$ и записать в таблицу.

II. Контрольные вопросы.

1. Какому веществу соответствует измеренное в работе значение удельной теплоемкости?

Чтобы определить, какому веществу соответствует измеренное значение удельной теплоемкости $c_2$, необходимо сравнить полученное в эксперименте значение с табличными значениями удельной теплоемкости различных металлов (например, алюминия, меди, железа, свинца и т.д.). Наиболее близкое значение укажет на предположительный материал цилиндра.

Ответ: Сравнить полученное значение $c_2$ с табличными значениями удельных теплоемкостей различных металлов и найти наиболее близкое.

2. Как объяснить расхождение между найденным и табличным значениями удельной теплоемкости вещества цилиндра?

Расхождения между найденным в эксперименте и табличным значениями удельной теплоемкости обусловлены рядом факторов, связанных с несовершенством метода и оборудования, а также влиянием окружающей среды. Основные источники погрешностей включают: 1) Теплопотери калориметра: калориметр не является абсолютно адиабатической системой и обменивается теплом с окружающей средой, что приводит к занижению измеряемого количества теплоты. 2) Теплоемкость калориметра: в расчетах часто пренебрегают теплоемкостью стенок калориметра и мешалки, которые также нагреваются и поглощают часть тепла от цилиндра. 3) Неточность измерения температур: погрешности термометра и субъективные ошибки при считывании показаний. 4) Потери тепла при переносе цилиндра: пока горячий цилиндр переносится из кипящей воды в калориметр, он успевает отдать часть тепла воздуху. 5) Примеси в веществе цилиндра: материал цилиндра может быть не чистым металлом, а сплавом, что изменяет его удельную теплоемкость.

Ответ: Расхождения объясняются теплопотерями в окружающую среду, неточностью измерительных приборов, учетом теплоемкости калориметра, потерями тепла при переносе цилиндра и возможными примесями в материале цилиндра.

Выводы:

По результатам проделанной лабораторной работы было успешно измерено количество теплоты, отданное горячим металлическим цилиндром и полученное холодной водой, а также определено значение удельной теплоемкости материала цилиндра. На основании полученных данных можно сделать вывод о природе вещества, из которого изготовлен цилиндр, сравнив экспериментальное значение с табличными данными. Обнаруженное расхождение между экспериментальным и табличным значениями удельной теплоемкости указывает на наличие систематических и случайных погрешностей, характерных для данного метода калориметрии, основными из которых являются теплопотери в окружающую среду и теплоемкость самого калориметра. Эксперимент продемонстрировал принцип работы калориметра и закон сохранения энергии при теплообмене.

Ответ: В данном разделе следует обобщить выполненную работу, указать, что было измерено и вычислено, к какому веществу относится измеренная удельная теплоемкость (по возможности), а также объяснить причины расхождений и сделать общие выводы о проделанном эксперименте и его результатах.

III. Суперзадание.

Как, по вашему мнению, влияет на погрешность измерений полученного результата значение массы взятой для опыта воды?

Масса взятой для опыта воды оказывает существенное влияние на погрешность измерений.

Если взять слишком большую массу воды, то изменение ее температуры $\Delta t_1$ будет небольшим, даже при значительной теплоотдаче от цилиндра. В этом случае относительная погрешность измерения температуры ($ \frac{\Delta (\Delta t_1)}{\Delta t_1} $) может быть высокой, поскольку абсолютная погрешность термометра остается постоянной. Небольшое изменение температуры также может привести к тому, что температура воды будет мало отличаться от температуры окружающей среды, что затруднит точное определение установившейся температуры $t_3$.

Если же взять слишком малую массу воды, то изменение ее температуры $\Delta t_1$ будет очень значительным. В этом случае, хотя относительная погрешность измерения температуры может быть ниже, возрастает влияние теплоемкости калориметра, стенок сосуда и мешалки, которые поглощают значительную долю тепла. Также, чем больше разница температур между водой и окружающей средой, тем больше будут потери тепла в окружающую среду, что приведет к занижению истинного количества теплоты, полученного водой.

Таким образом, существует оптимальная масса воды, которая позволяет минимизировать общую погрешность измерения. Обычно стремятся подобрать такую массу воды, при которой изменение температуры составляет несколько градусов (например, 5-10 °С), что обеспечивает достаточно точное измерение $\Delta t_1$ и относительно невысокие теплопотери.

Ответ: Как слишком большая, так и слишком малая масса воды могут увеличить погрешность измерений. Слишком большая масса приводит к малому изменению температуры воды и увеличению относительной погрешности измерения температуры. Слишком малая масса увеличивает влияние теплопотерь в окружающую среду и теплоемкости самого калориметра.