С. Д. Варламов А. Р. Зильберман

Экспериментальные задачи физических олимпиад
95
Примечание
: гирька полностью помещается в маленький
пластмассовый стаканчик, и при этом в стаканчике ещё
остаётся место для воды.
Решение
. Сначала в стаканчик наливается такое количе-
ство воды при комнатной температуре (или немного меньше:
на 2—3 градуса), чтобы гирька при помещении в стаканчик
полностью в неё погружалась. С помощью этого пластмас-
сового стаканчика с водой и нитки с хорошей точностью
определяется отношение массы воды и гирьки. Термометром
измеряется начальная температура воды в стаканчике. Затем
гирька помещается в горячую воду и выдерживается в ней
около минуты, чтобы она вся внутри успела прогреться до
температуры воды. Температура горячей воды (и гирьки)
измеряется термометром. Теперь гирька переносится из ка-
лориметра с горячей водой в стаканчик с прохладной водой.
После установления теплового равновесия измеряется тем-
пература. Можно провести несколько циклов подогрева про-
хладной воды без её смены. Тогда разность начальной и ко-
нечной температур будет в несколько раз больше, и точность
измерения этой разности тоже станет больше. По величине
разности конечной и начальной температур можно вычис-
лить отношение удельных теплоёмкостей материала гирьки
и воды. Чтобы избежать тепловых потерь на время пребы-
вания гирьки в холодной воде, горячую воду в калориметре
нужно закрывать крышкой из листа тетрадной бумаги. Если
используется несколько циклов переноса гирьки из горячей
воды в холодную, температуру воды в маленьком стаканчике
следует измерять в начале и после завершения последнего
цикла. Всё остальное время термометр измеряет температуру
воды в калориметре с горячей водой.
При вычислениях необходимо учесть, что температура го-
рячей воды постепенно уменьшается, а температура холодной
воды возрастает. Это означает, что за каждый последующий
цикл переноса воде в пластмассовом стаканчике передаётся
всё меньшее количество теплоты.
При переносе гирьки следует обращать внимание на то,
чтобы вместе с гирькой в пластиковый стаканчик не по-
падали капли горячей воды. Для этого можно, например,
ударять гирькой по столу, чтобы стряхнуть оставшиеся на

96
Часть 2
ней капли воды, можно использовать для удаления капель
лист тетрадной бумаги или собственный носовой платок.
Измерение удельной теплоёмкости
(
9—1—2006
)
Оборудование
: термометр, стаканчики, миллиметровая
бумага, штатив, нитка, горячая и холодная вода — по требо-
ванию, часы (можно использовать наручные часы). Груз —
гирька известной массы, несколько одинаковых монет досто-
инством 5 копеек.
Задание
: измерьте удельные теплоёмкости груза и пя-
така.
Решение может быть стандартным: см., например, ре-
шение предыдущей задачи. Для нахождения массы воды
в стаканчике можно определить занимаемый водой объём
с помощью миллиметровой бумаги.
В крышке стаканчика имеется отверстие для термомет-
ра. Если следить за изменением температуры в закрытом
стаканчике, то при одинаковых внешних условиях скорость
изменения температуры внутри зависит от теплоёмкости все-
го содержимого стаканчика. Можно заправлять стаканчик
одинаковым количеством горячей воды и провести несколько
наблюдений. При этом в стаканчик можно помещать или
не помещать дополнительные предметы — гирьку или пята-
ки. Считая, что при заданной разнице температур внутри
и снаружи мощность тепловых потерь одинакова, можно
по разнице времён охлаждения стаканчика с содержимым
вычислить «избыточную» теплоёмкость, появившуюся в ре-
зультате помещения в стаканчик груза или монет.
Измерение удельной теплоты плавления
(
9—1—2007
)
Приборы и приспособления
: термометры — электронный
и обычный, стаканчики для горячей и холодной воды, кусок
сплава (припой —олово и свинец), спички, шприц без иглы —
мерный, миллиметровая бумага, штатив с лапкой. Масса
10 см проволоки из сплава (сплав выдавался в виде такой
проволоки) составляет 1,35 г.

Экспериментальные задачи физических олимпиад
97
Задание
: экспериментально определите удельную теплоту
плавления
l
(Дж/грамм) выданного образца сплава. Темпера-
тура плавления сплава 230
◦
C считается известной.
Решение
. Экспериментатор должен заранее определить,
какую часть проволоки он расплавит в предварительных экс-
периментах, а какую в решающих. Можно порекомендовать
такое распределение: 1/4 и 3/4, то есть 0,35 г на первом этапе
и 1 г для контрольного эксперимента.
С помощью мерного шприца в стаканчик наливается из-
вестное количество воды, например 3 мл. С помощью тер-
мометров фиксируется температура воды в стаканчике. Над
стаканчиком удерживается в руках (через несколько слоёв
бумаги — техника безопасности) сплав в виде тонкой прово-
локи. Снизу к проволоке подносится горящая спичка. Как
только сплав нагревается до температуры плавления, капель-
ка сплава падает в воду. Расплавив несколько сантиметров
проволоки, нужно выяснить, насколько поднялась темпера-
тура воды. Если пренебречь теплотой, выделяющейся после
затвердевания сплава в воде, теплота, полученная водой, —
это и есть теплота затвердевания сплава (или, что то же
самое, теплота плавления сплава).
После расплавления около 3 см проволоки температура
воды поднимется всего на 1
◦
. Следовательно, в контрольном
эксперименте нужно использовать термометр с меньшей теп-
лоёмкостью, то есть не жидкостный термометр, а «электрон-
ный», кроме того, нужно взять меньшее количество воды,
чтобы температура воды поднялась повыше.
При выборе всего 1 мл воды для нагрева и при остывании
в ней 7 см расплавленной проволоки температура должна
бы подняться на 10
◦
, однако она поднимается меньше —
примерно на 8
◦
. Это означает, что нужно учесть теплоёмкость
стаканчика.
Сделать это можно с помощью горячей воды без использо-
вания сплава, который уже существует не в виде проволоки,
а в виде капель на дне стаканчика. Отсюда можно найти
теплоту плавления сплава — около 40 Дж/г.
Особую часть работы, которая оценивалась примерно 30%
общего количества баллов, представляет оценка погрешно-
стей измерений в этом эксперименте.

98

жүктеу/скачать 1,21 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: