تحقیق آزمایشگاه فیزیک حرارت

موضوع :
آزمایشگاه فیزیک حرارت

استاد گرامی :
جناب آقای قانعی

دانشجو :
رضا شکسته بند

استاد راهنما:
جناب آقای قانعی
بهار 94

نام آزمایش: تعیین ارزش آبی کالریمتر(ظرفیت گرمایی کالریمتر)
تئوری مربوط به آزمایش:
عملیات حرارتی برای جدا بودن از محیط اطراف در داخل ظرفی انجام میگیرد که به آن کالریمتر گویند.کالریمتر تشکیل یافته از ظرف درب دار که درآن دماسنج برای اندازه گیری دما و میله بهم زن به منظور بهم زدن مایع داخل کالریمتر و … قرار داده شده است. حال هرکدام از این وسائل خود دارای ظرفیت گرمایی ویژه بوده و در مقدار گرمای گرفته شده و یا داده شده موثر میباشند . برای جلوگیری از تکرار مراحل اضافی در انجام آزمایش های حرارتی برای هر کالریمتر ضریب ثابتی مشخص میکنند که در محاسبات در نظر میگیرند بنام ظرفیت گرمایی کالریمتر.
ظرفیت گرمایی کالریمتر عبارتست از مقدار انرزی گرمائی ذخیره شده به ازاء افزایش یک درجه سانتیگراد دما است مقدار آن برای هر کالریمتر همواره ثابت بوده و با A نشان داده میشود . A=∑m c و واحد آن cal / c است.

Q = m c (Ө – Ө) + m c (Ө – Ө ) + …
Q = (m c + m c + …) (Ө – Ө )
Q = A (Ө – Ө)
MC(Ө – Ө) =A(Ө – Ө)

A = MC(Ө – Ө) / Ө – Ө

وسائل مورد نیاز:
کالریمتر-منبع حرارتی-هیتر-ترمومتر-ترازوی دیجیتال

شرح آزمایش:
ابتدا ترمومتر را داخل کالریمتر گذاشته و مدتی صبر میکنیم سپس عدد روی ترمومتر را میخوانیم تا دمای کالریمتر خالی را بدست بیاوریم. Ө
سپس کالریمتر را روی ترازو گذاشته و m را بدست می آوریم سپس آب را داخل ظرف مخصوص ریخته و و روی دستگاه هیتر میگذاریم تا حدودا 60 درجه سانتیگراد گرم شود سپس آب را بوسیله ترمومتر هم زده و دما را قبل از ریختن به کالریمتر میخوانیم و بدین وسیله Ө را بدست می آوریم سپس آب گرم را حدودا تا وسط بصورتی که ارتفاع آب بیش از نصف کالریمتر نباشد و همچنین به قدری هم کم نباد که ترمومتر به آن نرسد میریزیم.
بار دیگر کالریمتر را همراه آب روی ترازوی دیجیتال قرار میدهیم و m را بدست می آوریم و با کم کردن وزن آب یا m بدست می آید.
M=m -m

سریعا درب کالریمتر را گذاشته و مدتی منتظر میشویم دمای نشان داده شده توسط ترمومتر همان Ө است (دمای تعادل)
سپس با استفاده از رابطه
A =————————————–

ارزش آبی کالریمتر را بدست می آوریم.
در این آزمایش c را برابر 1 cal / gr در نظر خواهیم گرفت.

نتایج:
نام کمیت مقدار
29 c Ө
58 c Ө
61 c Ө
952.7 gr m
1238 gr m
286.1 gr m

A =( 286.1 *1 (60-58)) / (58-22 ) =15.88 cal / c

بحث روی نتایج:

2-خطاهای شخصی:
در استفاده از ترمومتر باید دقت داشته باشم که در هنگام قرائت باید حتما آنرا حدودا در مقابل چشمان گرفته و عدد را قرایت کنیم اگر بالاتر یا پایینتر از حد چشمان قرار دهیم عدد را بیشتر یا کمتر خواهیم دید.

3-خطاهای اتفاقی:
در این آزمایش یکبار اعداد زیر را بدست آوردیم که عامل خطا معلوم نبود لذا آزمایش را تکرار کردیم زیرا نتایج بدس آمده مطلوب نبودند.

Ө =22 c
Ө =60 c
M = 286.1 gr
M =952.7 gr
Ө =58 c

A =( 286.1 *1 (60-58)) / (58-29 ) =22.007 cal / c

نام آزمایش: تعیین گرمای نهان ذوب یخ

تئوری مربوط به آزمایش:
مقدار گرمایی که هنگام تغییر حالت فیزیکی هر گرم از جسمی میدهد یا میگیرد گرمای نهان تغییر حالت می نامند. تجربه نشان میدهد که در تمام مدتی که جسم تغییر حالت پیدا میکند دما ثابت است . این دما را دمای تغییر حالت می نامند.
برای اندازه گیری گرمای نهان ذوب یخ در کالریمتر M گرم آب که دمای آن بالاتر از دمای محیط باشد (حدودا 60 درجه سانتیگراد) میریزند.یک قطعه یخ را شسته سپس با دستمال خشک کرده و در کالریمتر می اندازند و کالریمتر را پس از آزمایش وزن کرده و جرم یخ m را بدست می آورند. اگر Ө دمای اولیه آب و Ө دمای تعادل (کالریمتر و آب و یخ) بوده و L گرمای نهان ذوب یخ باشد مقدار گرمایی که مبادله میشود بطریق زیر تعیین میشود.
برای اینکه یخ با جرم m به آب صفر درجه برسد به اندازه mL گرما میگیرد و آب صفر درجه به اندازه mc(Ө – 0) گرما میگیرد تا به تعادل برسد پس گرمای کل گرفته شده توسط یخ m گرمی برای اینکه به آب صفر درجه و بعد به دمای تعادل Ө برسد برابر است با:
Q = (MC+A)(Ө – Ө )

مقدار گرمایی Q بوسیله کالریمتر و آب درون آن داده میشود تا به دمای تعادلی Ө برسند
Q = ml + mc(Ө – 0 )

بنابر این خواهیم داشت:
ml + mc(Ө – 0 ) = (MC+A)(Ө – Ө )

اگر C را برابر 1 cal / gr c در نظر یگیریم داریم:

(MC + A) ( Ө – Ө )
L = ————————————- – Ө
m
A یا ارزش آبی کالریمتر را مساوی A =30 cal/gr و گرمای ویژه آب را c =1 cal /gr c در نظر خواهیم گرفت.

وسایل مورد نیاز:
کالریمتر-ترمومتر-منبع حرارتی(هیتر)-ترازو

شرح آزمایش:
ابتدا کالریمتر خالی را روی ترازو گذاشته و عدد را یادداشت میکنیم تا M بدست بیاید سپس آبی را که حدودا
60 c است در داخل کالریمتر ریخته و کمی صبر میکنیم سپس وزن کرده و M را بدست می آوریم. سپس وزن کرده و دمای آب و کالریمتر را لحظه ای قبل از انداختن یخ اندازه می گیریم تا Ө بدست بیاید.
دو قطعه یخ را با دستمال خشک کرده و در داخل کالریمتر می اندازیم و در حالی که مدام آب داخل را بوسیله بهم زن بهم میزنیم. دما را نیز میخوانیم دما کم کم کاهش پیدا می کند سپس دمای تعادل را یادداشت کرده و بدین وسیله Ө را بدست می آوریم و در نهایت کالریمتر را روی ترازو گذاشته و دوباره وزن میکنیم تا جرم کالریمتر و آب و یخ بدست بیاید. بدین وسیله M بدست می آید.
بدین ترتیب L را محاسبه کرده و گرمای تغییر حالت یخ را حساب مینماییم.

M = M – M m=M – M

M =898.4 gr
M = 1210 gr
M = 1253 gr M = 311.6gr m = 43.5 gr

Ө = 57.5 c
Ө = 42 c

(311.6 +30 ) (57.5 – 42 ) – 43.5 * 42
L = ——————————————————— = 79.7195 gal/gr

43.5

بحث روی نتایج:
1-خطاهای دستگاهی:
کالریمتر کاملا ایده آل نیست و با محیط هم تعادل گرمایی انجام میدهد لذا باید برای کم کردن این خطا آزمایش را سریع و دقیق انجام دهیم.
دقت ترمومتر 1 c است و کمتر از آنرا نشان نمیدهد.
دقت ترازوی دیجیتال 0.01 گرم است و با اینکه دقت بالایی است ولی باز هم محدودیت دارد.

نام آزمایش: تعیین گرمای ویژه آب

تئوری مربوط به آزمایش:
مقدار گرمائی که 1 gr آب در نقطه جوش میگیرد تا بدون تغییر دما به بخار تبدیل شود گرمای ویژه آب نامند.
جرم کالریمتر خالی = M
جرم کالریمتر و آب =M
دمای کالریمتر و آب لحظه ای قبل از ورود بخار آب = Ө
دمای تعادل = Ө
جرم کالریمتر و آب و بخار = M
جرم آب M = M – M
جرم بخار M = M – M
A = 30 cal/gr c
C = 1 cal / gr c

گرمایی که اجسام سرد میگیرند = گرمایی که اجسام گرم از دست میدهند
Q = Q
با توجه به اینکه در شهر تبریز آب در 96 درجه سانتیگراد به جوش میرسد داریم:

Q = mL +mc(96- Ө)
Q = (Mc +A) (Ө – Ө )
mL +mc(96- Ө) = (Mc +A) (Ө – Ө )

(Mc +A) (Ө – Ө ) – mc(96- Ө)
L = ——————————————-

وسائل مورد نیاز:
بشر – هیتر (منبع حرارتی – کالریمتر – ترمومتر
شرح آزمایش:
ابتا کالریمتر خالی را روی ترازو گذاشته و M را بدست می آوریم .سپس حدودا تا نیمه آنرا با آب پر کرده و مدتی منتظر میمانیم تا آب و کالریمتر به تعادل برسند سپس آن عدد را خوانده و بدین ترتیب Ө را بدست می آوریم. سپس به مدت 3 دقیقه بخار را وارد کالریمتر میکنیم . سپس دمای تعادل را یادداشت کرده و Ө را بدست می آوریم و در نهایت با گذاشتن کالریمتر روی ترازوی دیجیتال وزن آب و کالریمتر و بخار بدست می آید.M

جرم آب M= M – M
جرم بخار m=M – M
A = 30cal/ c
C =1 cal/gr c

نتایج:

M =898.3
M =1179.6 gr
M = 1193.3 gr
Ө =14 c
Ө = 36 c
M = 1179.6-898.3 = 281.3 gr m=13.7gr

(281.3 + 30 ) (36-14) -13.7 *1*(96-36)
L = —————————————————- = 493.897 gr / c
13.7

بحث روی نتایج:

1-خطاهای دستگاهی:
کالریمتر کاملا ایده آل نیست و با محیط هم تعادل گرمایی انجام میدهد لذا باید برای کم کردن این خطا آزمایش را سریع و دقیق انجام دهیم.
دقت ترمومتر 1 c است و کمتر از آنرا نشان نمیدهد.
دقت ترازوی دیجیتال 0.01 گرم است و با اینکه دقت بالایی است ولی باز هم محدودیت دارد.
در هنگام وارد کردن بخار آب به کالریمتر باید توجه داشته باشم آبی که در اثر میعان بصورت مایع در آمده وارد کالریمتر نشود.

نام آزمایش: چگالی مایعات

تئوری مربوط به آزمایش:
جرم واحد حجم هر جسم را جرم مخصوص یا دانسیته گویند.
P =M / V (kg / m )
ونسبت وزن هر جسم به وزن آب هم حجمش را چگالی نسبی (نسبت به آب) گویند.

d=W/W = M/M =ℓ / ℓ

چون دانسیته آب چهار درجه یک است . لذا می توان در اندازه گیری بجای حجم یک جسم جرم آب هم حجم را در نظر گرفت.
بنا به قانون ارشمیدس میتوان گفت:
جرم مخصوص یک جسم عددا برابر است با نسبت جرم آن به جرم آب هم حجمش.
قانون ارشمیدس: وزن آب هم حجم با جسم برابر کاهش وزن در آب است.

روش هیر: (Hare)

با استفاده از یک لوله u شکل میتوان چگالی مایعاتی را که با آب مخلوط نمیشوند اندازه گیری کرد ولی مزیت دستگاه هیر در این است که میتوان با آن چگالی مایعاتی را که با آب مخلوط میشوند را نیز بدست آورد.
دستگاه هیر از یک لوله دو شاخه مطابق شکل تشکیل یافته که برای تعیین چگالی مایع یکی از شاخه ها را در مایع مورد نظر و دیگری را در آب فرو برده و توسط سرنگ هوای درون لوله را تخلیه میکنند . مایعات در لوله ها بالا میروند و با توجه به برابری فشار در سطح مایعات میتوان نوشت:

P = P = P
hℓg = hℓg
h ℓ = h ℓ
اگر h ارتفاع آب و 1= ℓ در نظر بگیریم داریم:
h*1 = h*ℓ
ℓ = h /h

وسائل مورد نیاز:
ضد یخ- الکل- ترازو- بشر -پی پت -دستگاه هیر – استوانه مدرج-

شرح آزمایش:
الف:اندازه گیری چگالی مایعات با استفاده از استوانه مدرج:
ابتدا استوانه را روی ترازو گذاشته و عدد را یادداشت می کنیم تا m بدست بیاید.
سپس آنرا یکبار با الکل و یکبار با آب وزن میکنیم تا به ترتیب m و m بدست بیایند باید توجه داشته باشیم که هر مقدار الکل ریختیم به همان مقدار هم آب بریزیم.
با توجه به اینکه جرم مخصوص آب یک است جرم آب با حجم آب برابر است.
=M/V=1 ℓ
M=V
بعبارت دیگر حجم استوانه تا نقطه مورد نظر برابر وزن آب داخل استوانه است.
در نتیجه برای جرم مخصوص مایع میتوان نوشت

m- m
=M/V = ————— ℓ
m- m

حال اگر بجای آب مایع دیگری با چگالی ℓ برای بدست آوردن حجم استفاده کنیم

M
ℓ= —– ℓ
V
m- m
= ————-ℓ
m – m

یکبار دیگر مراحل فوق را برای ضدیخ تکرار میکنیم.

نتایج:

m
m
m
مایع مورد نظر

=0.8023
99.3 گرم
89.4گرم
49.2 گرم
الکل
=1.1057
99.3 گرم
104.6 گرم
49.2 گرم
ضدیخ

ب: اندازه گیری بروش هیر:
در دستگاه هیر از عمود بودن شاخه ها اطمینان حاصل کرده و همچنین توجه میکنیم که در داخل شاخه ها مایعی موجود نباشد یکی از بشر ها را با الکل و دیگری را حدودا هم حجم الکل با آب پر کرده و هر کدام را زیر یکی از شاخه ها قرار میدهیم هوای داخل لوله را توسط مکش با سرنگ تخلیه میکنیم مشاهده میکنیم که مایعات از لوله ها بالا می روند ارتفاع ها را توسط خط کش از سطح آزاد مایعات اندازه گیری کرده و نسبت ارتفاع آب به ارتفاع مایع مورد نظر را بدس می آوریم (نسبت h به h )

نسبت ارتفاع آب به ارتفاع مایع
ارتفاع مایع
ارتفاع آب
ℓ=17.8 / 21.3=0.8356

h=24.3-3=21.3cm الکل
h=20.8-3=17.8cm
ℓ=20.7 / 18.5 =1.1189

h=21.5-3=18.5cm ضدیخ
h=23.7-3=20.7cm

بحث روی نتایج:
خطاهای دستگاهی:
دقت خط کش یک میلیمتر است و با آن نمیتوان کمتر از یک میلیمتر را سنجش کرد
دقت ترازو یک صدم گرم است و کمتر از آنرا نشان نمیدهد.

خطاهای شخصی:
در روش هیر باید دقت داشته باشیم که ارتفاع ها را دقیق بخوانیم و همچنین در برابر کردن حجم مایع مورد نظر و آب در بشر باید دقت کامل داشته باشیم.
ثانیا آبی را که در آزمایش استفاده کردیم کاملا خالص نبوده و همچنین در دمای 4 c نبود لذا چگالی آن 1 نبود ولی در محاسبات آنرا برابر یک فرض کردیم.

نام آزمایش: انبساط خطی اجسام

تئوری مربوط به آزمایش:
مشروط بر اینکه فشار خلرجی وارد بر اجسام ثابت باشد با تغییر دما اجسام تغییر شکل میدهند (مگر در چند مورد که افزایش دما باعث کاهش حجم میشود مانند مواد پلاستیکی و …)
انبساط اجسام در اثر ازدیاد دما در گازها بیشتر از مایعات و در مایعات بیش از جامدات است
نظریه انرژی جنبشی مولکولی اجسام ماهیت انبساط دمایی اجسام را چنین توجیه می کند که با افزایش دما انرژی جنبشی مولکولها افزایش می یابد و مولکول هایی که در اثر افزایش دما انرژی جنبشی بیشتر کسب کرده اند با سرعت بیشتری به حرکت در آموده و همزمان در برخورد با مولکول های همجوار تبادل انرژی نیز میکنند با ادامه ی این فعل و انفعالات فاصله متوسط مولکولی بیشتر شده و در نتیجه سبب افزایش حجمی اجسام می گردد در هنگامیکه انبساط یک جسم استوانه ای مانند سیم یا تیر آهن یا میله مورد بحث است تنها افزایش در طول آن مورد نظراست
بنا بر این اگر در دمای Ө طول میله ای L بوده و در دمای Ө (Ө< Ө) طول آن L گردد میتوان نوشت:

Ө- Ө L – L

L – L L
L – L L(Ө – Ө )

نسبت L – L =ΔL را برابر ΔL L(Ө – Ө) =L

مقدار ثابتی است که آنرا با λ نشان میدهیم و واحد آن 1/ C است.
ΔL
——– = λ
L ΔL

وسائل مورد نیاز:
دستگاه انبساط خطی – مخزن تهیه بخار آب (بالن)- میله استوانه ای فلزی با جنس های مختلف- لوله لاستیکی- منبع حرارتی
شرح آزمایش:
ابتدا میله آهنی را برداشته از دو یاتاقان ثابت و متحرک دستگاه عبور داده و پیچ اول را محکم میکنم سپس طول اولیه را از روی اندازه گذلری روی دستگاه میخوانیم L را بدست می آوریم سپس میله را کمی فشار میدهیم تا گیج فشاری متصل به انتهای لوله کمی حرکت کند سپس گیج را صفر کرده و لوله لاستیکی را که رابط بین بخار آب و میله مورد نظر است را وصل کرده و کمی صبر میکنیم تا میله به دمای بخار آب Ө=96 C برسد.
در این حال حداکثر انحراف عقربه گیج فشاری را که در اثر افزایش طول میله در اثر دمای بخار آب بوجود آمده را میخوانیم.دمای محیط آزمایشگاه 23 درجه سانتیگراد است.

یکبار دیگر مراحل بالا را با میله استوانه ای برنجی این عمل را تکرار میکنیم.

نتایج:
برای آهن داریم

L =800 mm
= 96-23=73 cӨ Δ

ΔL=65 / 100 mm

0.065
= —————– = 1.11 *10 1 /c
0.065
= —————– = 1.11 *10 1 /c λ
800 * 73

برای لوله استوانه ای برنجی داریم:
L =800 mm
= 96-23=73 cӨ Δ

ΔL=1.02mm

1.02
= —————– = 1.7 *10 1 /c λ
800 * 73

بحث روی نتایج:
خطاهای دستگاهی:
بعلت اینکه گیج فشاری دستگاهی بسیار حساس است باید هرچند وقت یکبار تست شود تا درستی کارکرد آن ثابت شود.

خطاهای شخصی:
در خواندن عدد روی گیج فشاری میبایست دقت کافی کرد و در روبروی گیج فشاری ایستاد و آنرا خواند.
همچنین بچون افزایش طول بسیار ناچیز است باید توجه داشت تا قبل از انجام آزمایش بخار آب با لوله ها ارتباط نداشته باشد.

نام آزمایش: ظرفیت گرمایی جسم جامد فلزی

تئوری مربوط به آزمایش:
ظرفیت گرمائی گرمایی است که دمای یک جسم را یک درجه سانتیگراد افزایش دهد و واحد های آن cal / c یا J / c است.
ظرفیت گرمایی ویژه گرمائی است که دمای واحد جرم یک جسم را یک درجه سانتیگراد افزایش میدهد و واحد آنcal / c یا J /kg c است.
ظرفیت گرمایی اتمی گرمائی است که دمای یک اتم گرم از یک جسم را یک درجه سانتیگراد افزایش میدهد و واحد آن cal / atm gr c است که با a نیز نشان میدهند a=A*C
که در آن C گرمای ویژه جسم و A اتم گرم جسم میباشد.
مطابق قانون دولن و پتی گرمای اتمی اجسام جامد تقریبا ثابت بوده و مقدار آن بطور متوسط برابر
6.2 cal / at m gr c
است.

وسائل مورد نیاز:
کالریمتر- ترمومتر- ترازوی دیجیتال -قطعه فلزی (برنج) – منبع حرارتی

شرح آزمایش:
در داخل کالریمتری که ارزش آبی آن معلوم است حدودا 200-180 گرم که همان M است آب میریزیم و بعد اززمان کافیدمای کالریمتر و آب را قرائت میکنیم . بدین ترتیب Ө بدست میآید سپس فلز مورد نظر را روی ترازو گذاشته و وزن آنرا یادداشت میکنیم M به دست می آید. سپس آنرا به داخل آبی که قبلا در روی منبع حرارتی گذاشته ایم تا بجوشد توسط نخ می اندازیم بعد از مدتی دمای آب جوش را که همان دمای جسم میباشد قرائت میکنیم
96 C =Ө
سپس فلز را سریع بطوریکه با هوای آزمایشگاه تبادل گرمایی انجام ندهد وارد کالریمتر میکنیم و درب آنرا محکم میبندیم تا تبادل انرژی گرمائی با محیط آزمایشگاه انجام نگیرد.
مدتی صبر میکنیم تا تعادل گرمایی انجام شود سپس دمای تعادل فلز و کالریمتر را میخوانیم و بدین وسیله Ө بدست می آید.

◄گرمایی که فلز از دست میدهد = گرمائی که کالریمتر و آب داخل آن میگیرند►
Q = MC (Ө – Ө )
Q = (M C + A ) (Ө – Ө )
Q = Q ►► (M C + A ) (Ө – Ө ) = MC (Ө – Ө )

(M C + A ) (Ө – Ө )
C = ———————————————
M (Ө – Ө)

در این آزمایش A را برابر 30 cal / c و گرمای ویژه آب را c= 1 cal / gr c فرض کرده ایم.
نتایج:

جرم آب M = 180.4 gr
دمای تعادل آب و کالریمتر Ө = 14 c
دمای تعادل فلز و آب و کالریمتر Ө = 19 c
جرم فلز M = 164.3 gr

(180.4+30)(19-14)
C = ————————–
(96-19)
C=0.08315 cal/ c

هنگامی که نمونه را از آب جوش خارج میکنیم تا به داخل ترمومتر بیندازیم زمانی که این کار طول میکشد قطعه فلز مورد نظر با محیط تعادل گرمای انجام میدهد در نتیجه دمای آن کتر از 96 درجه سانتیگراد میشود در صورتیکه در محاسبات آنرا 96 درجه سانتیگراد گرفتیم.

نام آزمایش: آزمایش بویل ماریوت

تئوری مربوط به آزمایش:
بنا بر قانون بویل ماریوت اگر دما ثابت باشد حجم معینی از گاز V به نسبت عکس فشار تغییر میکند 1 / P
بعبارتی: V 1 /P ► PV=cte
به بیان دیگر در دمای ثابت حاصلضرب حجم معینی از گاز (V) در فشار آن (P) مقداری ثابت است.
بعبارت دیگر اگر حجم و فشار گازی را به ترتیب در حالت اول V و P و در حالت دوم V و P نشان دهیم خواهیم داشت:
P V= P V =…=P V
فشار P را میتوان به شکل P=H+P نوشت که در آن H همان فشار اتمسفر و P مقدار فشار اضافی است .و علامت آن بنا به اینکه فشار گاز از فشار جو بیشتر یا مکتر باشد تغییر میکند.
اگر در رابطه PV = cte = k بجای P مقدارش یعنی P =H+P را قرار دهیم خواهیم داشت:
(H+P ) V = K ►H + P = K * 1/V
با فرض x = 1 / V داریم:
H + P = K x ►P = Kx -H

حال اگر در دمای ثابت (دمای آزمایشگاه) با تغییر حجم فشار گاز را اندازه بگیریم و منحنی تغییرات P را به 1/V رسم کنیم نقاط خط راستی را میدهند که امتداد آن محور P را در نقطه ای دور لز مبدا قطع خواهد کرد که بیانگر فشار جو میباشد.

وسائل مورد نیاز:
دستگاه بویل ماریوت- جیوه – فشارسنج

شرح آزمایش:
مطابق شکل دستگاه بویل ماریوت از یک لوله U شکل که در درون آن جیوه وجود دارد تشکیل یافته سر یکی از لوله ها باز و سر دیگری بسته است که گاز مورد نظر در داخل این لوله محبوس است.
با بالا و پایین بردن مخزن متحرک جیوه حجم گاز محبوس کم و زیاد شده در نتیجه فشار گاز نیز کم و یاد خواهد شد . که با استفاده از خط کش میان دو دو لوله میتوان ارتفاع جیوه را در هر دو لوله تعیین نمود . اگر سطح مقطع لوله را S فرض کنیم که در تمام طول لوله یکسان استمقدار حجم برابر است با V = S* L بنابر این تغییرات حجم همواره با تغییرات ارتفاع گاز متراکم متناسب خواهد بود.
PhS = PhS = …
PL = PL
فشار گاز محبوس شده P در هر بار آزمایش برابر فشار جو بعلاوه فشار مربوط به اختلاف ارتفاع ستون های جیوه h=h-L
مقدار در محیط آزمایشگاه است. H=63.8cm Hg

درصد خطا=

P*L
L
P=H±h
h

%0.541
2291
29cm
P=79cm
15.2cm

%2.74
2366.8
38.8cm
P=61cm
-2.8cm
%0.19

2299.08
29.4cm
P=78.2cm
14.4cm

%0.02
2303
49cm
P=47cm
-16.8
cm

%0.22
2295.68
27.2cm
P=84.4cm
20.6cm

%0.22
2298.4
44.2 cm
P=52cm
-11.8
cm
%1.509

2268.72
41.4 cm
P=54.8cm
-9 cm

%0.07
2305.16
33.8cm
P=68.2cm
4.4 cm
بحث روی نتایج:
خطاهای دستگاهی:
اولا در دستگاه بویل ماریوت موجود در آزمایشگاه یک بست وجود دارد در نتیجه در آن نقطه لوله سطح مقطع دقیقا با قسمت های دیگر برابر نیست و ما در فرضیات فرض کردیم که سطح مقطع در تمام طول لوله ثابت باشد.

خطاهای شخصی:
در خواندن ارتفاع جیوه میبایست دقت کنیم و ارتفاع را بصورت صحیح بخوانیم بطوریکه چشم باید حدودا هم ارتفاع سطح جیوه باشد تا ارتفاع را دقیق تر بتوانیم قرائت کنیم.

ثانیا جیوه در لوله بصورت محدب می ایستد میبایست بالاترین ارتفاع را قرائت کنیم.

همانطوریکه در جدول بالا درصد های خطا را مشاهده میکنید. این درصد ها یا ناشی از خطاهای شخصی است یا خطاهای اتفاقی.

نام آزمایش: تعیین چگالی جسم جامد فلزی

تئوری مربوط به آزمایش:
بنا به تعریف جرم واحد حجم هر جسم را جرم مخصوص یا توده ویژه و یا دانسیته گویند که با ρ نشان داده و واحد آن در SI بصورت kg/ m³ است.

= M / Vρ

همچنین وزن واحد حجم هر جسم را وزن مخصوص گویند که برابر است با حاصلضرب جرم مخصوص در شتاب ثقل زمین یعنی :

وزن مخصوص=

و واحد آن در SI بصورت / m³ N است.
و بالاخره نسبت وزن هر جسم به وزن آب هم حجمش را چگالی نسبی ( نسبت به آب گویند)
و واحد ندارد d = W / W = M / M = /

چون جرم مخصوص آب خالص چهار درجه یک است لذا در اندازه گیری های معمولی میتوان بجای حجم یک جسم جرم آب هم حجمش را در نظر گرفت و چون وزن آب هم حجم با جسم برابر کاهش وزن در آب است ( قانون ارشمیدس) پس میتوان گفت:
جرم مخصوص یک جسم عددا برابر است با نسبت جرم آن به جرم آب هم حجمش.

وسائل مورد نیاز:
ترازوی دیجیتالی – جسم جامد فلزی – کولیس –

شرح آزمایش:
در این آزمایش میخواهیم به منظور آشنایی با وسایل اندازه گیری جرم مخصوص جسم جامد فلزی را بدست می آوریم.
ابتدا بوسیله کولیس طول و عرض و ارتفاع جسم جامد برنجی را اندازه میگیم ( باید توجه داشته باشم که اجسام کاملا مکعبی نیستند.)
سپس بوسیله ترازو جرم آنرا بدت می آوریم سپس با استفاده از رابطه
M/V = ρ
را بدست می آوریم.

نتایج:
ابعاد اندازه گیری شده = 26.50 * 24.80 * 2390
و جرم آن که توسط ترازو اندازه گیری شده = 130.7 گرم

M/V = ρ
M/V=130.7 / 15707.08 =0.0083 gr/ = ρ
*1000= 8.3 gr /

بحث روی نتایج:
1-خطاهای دستگاهی:
دقت کولیس 100/2 میلیمتر است.و اعداد کوچکتر را نمیتوان بوسیله آن قرائت کرد.
2-دقت ترازوی دیجیتالی نیز 100/1 گرم است .
3-خطاهای شخصی:
در هنگام قرائت صدم میلیمتر باید دقت کرد که روی هرکدام کاملا منطبق است آن عدد را قرائت نمود.

نام آزمایش: اندازه گیری شتاب ثقل زمین g توسط آونگ ساده

تئوری مربوط به آزمایش:
آونگ ساده عبارتست از نقطه مادی است که به انتهای نخ بی وزنی آویخته باشد و بتواند حول محور افقی در یک صفحه قائم نوسان کند در حالی که بتوان از ابعاد گلوله در برابر نخ و همچنین از وزن نخ دربرابر گلوله صرف نظر کرد.
می توان ثابت کرد که در نوسانات کم دامنه زمان نوسان تابع دامنه نوسان نبوده بلکه تابع طول آونگ و شتاب ثقل می باشد.هرگاه مطابق شکل جرم را از وضیت تعادل به اندازه Ө منحرف کرده سپس رها سازیم جرمنقطه ای تحت تاثیر دو نیروقرار میگیرد:
1-نیروی وزن گلوله که جهت آن رو به پایین بوده و در هر لحظه عمود بر سطح افق است.
2-نیروی کشش نخ

نیروئی که موجب میشود تا نقطه مادی را بحال تعادل برگرداند عبارتست از: Ө F= -Mg sin
نیروی F که همواره مماس بر راستای حرکت می باشد . علامت منفی بدین دلیل است که نیروی برگشتی در خلاف جهت است.

با توجه به رابطه فوق میتوان نوشت:
M d² x /d t² = – Mg sinӨ if <6 ►►sinӨ = Ө ► M d² x /d t² = – Mg Ө
چونӨ = x / l داریم با حل معائله دیفرانسیل:
d²x / dt² + g / l x = 0 ►►x = x.cos (ωt)

ω =√ g / l = 2π / T
T = 2π √ l / g
که در آن l طول آونگ و g شتاب ثقل و T زمان نوسان آونگ است.

وسائل مورد نیاز:
متر – دستگاه برای شمارش تعداد نوسان و محاسبه زمان-نخ غیر کشسان-گلوله فلزی

شرح آزمایش:
ابتدا در دستگاه نشان داده شده در شکل کلید RESET را میزنیم تا در روی صفحه صفر ظاهر شود سپس طول مورد نظرمان (L) را توسط متر تنظیم میکنیم سپس با توجه به نقاله ای که در بالای دستگاه وجود دارد نخ را کمتر از 6 درجه منحرف میکنیم سپس آنرا رها میکنیم (باید توجه داشته باشیم که نوسانات میبایست در یک صفحه باشند )
بعد از اینکه نوسان شروع شد سریعا کلید SET را زده و با فشردن کلید UP تعداد نوسان مورد نظرمان (در این آزمایش ما 3 نوسان را به دستگاه وارد کردیم) سپس START را میزنیم . دستگاه توسط سنسور هایی که دارد زمان سه رفت و برگشت متوالی را حساب میکند.
این آزمایش را برای L های مختلف انجام میدهیم و برای همه آنها مقدار شتاب ثقل یا g را توسط فرمول زیر حساب میکنیم.
توجه داشته باشد که L فاصله نشان داده شده در تصویر است.

نتایج:

g=4π²l / T²
T=t/n
زمان 3 نوسان t
L
9.78 m/s²
1.27s
3.830s
40cm
9.76 m/s²
1.42s
4.261s
50cm
9.96 m/s²
1.54s
4.642s
60cm
9.77 m/s²
1.68s
5.043s
70cm

بحث روی نتایج:
1-خطاهای دستگاهی:دقت دستگاه شمارشگر یک هزارم ثانیه است.
2-دقت متر مورد استفاده یک میلی متر است و کمتر از آنرا نمیتوتن با آن قرائت کرد

3-خطاهای شخصی:
باید دقت داشت که نوسان در یک صفحه باشد و نوسان آونگ بصورت مخروط نباشد.
همچنین باید دقت داشت که زاویه بیش از 6 درجه نباشد تا بتوان بجای سینوس زاویه خود زاویه را در فرمول قرار داد.

نام آزمایش: اندازه گیری شتاب ثقل زمین g توسط دستگاه سقوط آزاد

تئوری مربوط به آزمایش:
وقتی جسمی از ارتفاع h بدون سرعت اولیه بسمت پایین رها شود در تمام مسیر شتاب و سرعت آن هم جهت میباشند و حرکتی تند شونده دارد.
اگر نقطه پرتاب را مبدا y. = 0 و جهت مثبت را رو به پایین در نظر بگیریم y و g و v مثبت میباشند و معادله های حرکت بصورت زیر نوشته میشود:
V =gt V t
Y=1/2 gt² y t²
V²= 2gy v² y

y-y. = vt
v= 1/2(v.+gt+v.) = 1/2 gt + v.

y-y. = 1/2 g t² + v.t

y= 1/2 gt²
g=2y/t²
g=2h/t²

وسائل مورد نیاز:
متر – دستگاه برای محاسبه زمان سقوط- -گلوله فلزی

شرح آزمایش:
ابتدا دستگاخ را ریست میکنیم سپس بوسیله متر ارتفاع مورد نظرمان را تنظیم میکنیم سپس گلوله فلزی را در جای مخصوص گذاشته و زمانی که گلوله رها میشد کرنومتر دستگاه شروع به شمردن میکند تا وقتی که گلوله فلزی به سنسوری که در پایین گذاشته شده است برخورد کند.
مقدار ارتفاع و زمان را یادداشت میکنیم و شتاب ثقل زمین را محاسبه میکنیم:

شتاب ثقل) g(m/s²
زمان t(s)
ارتفاع h (cm)
10.01
0.364
70
10.6
0.400
85
9.13
0.456
95
10.4
0.449
105
10.03
0.485
118

منابع:
کتاب آزمایش های فیزیک تالیف :علیرضا آهنگرزاده مارالانی-محمد حسین فیض درخشی-حسین غفاری
جزوه درسی آزمایش های فیزیک موجود در انتشارات

تعداد صفحات : 32 | فرمت فایل : WORD

بلافاصله بعد از پرداخت لینک دانلود فعال می شود