II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка представляет из себя стандартный учебный прибор. Основными элементами его является цилиндрический нагреватель и индикатор малых удлинений (перемещений). Набор стержней для исследования, пробирки, колба с водой.

Электрическая схема прибора (рис.4) состоит из нагревателя на базе эмалированного сопротивления , соединенного последовательно с предохранителем ПР., служащим для предохранения нагревателя от перегрузки и индикаторной лампой Л, сигнализирующей о работе прибора. Сопротивление , соединенное параллельно с индикаторной лампой, служит шунтирующим элементом.

УСТРОЙСТВО ПРИБОРА

Прибор (рис.5) состоит из корпуса 1, к которому крепится кожух защитный 2. Внутри кожуха установлен нагреватель 3, центрированный с торцов в опоре 4 и крышке 5.

При проведении опытов в нагреватель через прокладку 6 помещается стеклянная пробирка 7 со стержнем 8.

На корпусе прибора установлена стойка 9 с кронштейном 10 для индикатора малых перемещений 11. Кронштейн может поворачиваться вокруг оси стойки на 90⁰.

На панели корпуса расположены индикаторная лампа 12 и кнопочный выключатель 13, а на задней стенке – винт заземления 14. Внутри корпуса на опоре расположен держатель с предохранителем 15. Штепсельная вилка 16 служит для включения прибора в электрическую сеть напряжением 220В.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы прибора.

2. Залить в пробирки воду до 0,5 объема при комнатной температуре и аккуратно опустить в них стержни сферическими концами вниз.

3. Отведя поворотный кронштейн с индикатором в сторону, вставить одну из пробирок в нагреватель.

4. Возвратить кронштейн в первоначальное положение, подняв шток индикатора, установить его конец в углубление на стержне. Зафиксировать положение кронштейна. Поворотом шкалы выставить индикатор на нуль.

5. Включить прибор и довести воду до кипения. При этом считать, что стержень нагрелся до 100⁰С.

6. По индикатору определить удлинение стержня.

7. Проделать опыты с другими стержнями.

8. После проведения опытов стержни вынуть из пробирок, воду слить.

9. Вычислить коэффициент линейного расширения для всех образцов по формуле:

, (1)

где: – увеличение длины образца в мм,

- начальная длина образца в мм (160мм)

- начальная температура воды в пробирке ⁰С

- температура воды в пробирке после нагревания (100⁰).

Для более точного определения коэффициента рекомендуется проводить несколько замеров и при вычислении брать среднее арифметическое значение приращения длины образца.

Точность определения коэффициента линейного расширения характеризуется средней квадратичной ошибкой:

(2)

где: 𝘯 – количество измерений (𝘯 ≥ 5),

– измеренное значение коэффициента,

– среднее арифметическое значение приращения длины образца.

В формуле (2) вместо выражения для упрощения вычислений можно брать значение приращения длины образца

(2а)

где: – измеренное значение приращения длины образца,

– среднее арифметическое значение приращения длины образца.

Тогда выражение (2) будет иметь вид:

(3)

Степень точности вычислений коэффициента линейного расширения в процентах характеризуется средней относительной квадратичной ошибкой измерения:

или

10. Пример определения коэффициента линейного расширения стального образца.

Стальной стержень длиной = 160мм помещен в пробирку с водой температуры =20⁰С. Результаты пятикратного повторения опыта сведены в таблицу:

№ п/п	Показания индикатора (в делениях) при:
		15,5	0,15 0,15 0,16 0,155 0,15	11,7 11,7 12,7 12,1 11,7	-0,24 -0,24 0,56 0,16 -0,24	0,0576 0,0576 0,3136 0,0256 0,0576
Среднее значение	0,153	11,94	-

По результатам вычисляем величину среднеквадратичной ошибки по формуле (2):

Средняя относительная квадратичная ошибка:

Не превышает предельного значения.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать название работы, ее цели, теоретические сведения, краткое описание установки и опытов, таблицу результатов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какова структура твердых тел?

2. Как движутся ионы в металлах, какова их энергия?

3. Что является причиной теплового расширения монокристаллических и поликристаллических тел?

4. Как вычислить коэффициент расширения твердых тел?

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.Н. Бушманов, Ю.А. Хромов. Физика твердого тела. «В.школа», М., 1971г., стр.72-74.

2. Р.В. Телеснин. Молекулярная физика. «В.школа», М., 1973г., стр.277-280.

3. В.М. Яворский курс физики. «В.школа», М., 1965г., т.1 стр.318-321.

4. Практикум по физике под ред. А.С. Ахматова. «В.школа», М., 1980г., стр.120.