گروه فیزیک دانشگاه نیشابور دستور کار آزمایشگاه فیزیک عمومی 3 تهیه و تنظیم: ترابی کارشناس آزمایشگاه فیزیک شهریورماه 395
فهرست مطالب عنوان...شماره صفحه آزمایش : گرمای ویژه جامدات... آزمایش :گرمای ویژه مایعات به روش سرد کردن... 5 آزمایش 3: انبساط طولی جامدات... 9 آزمایش 4: انبساط حجمی مایعات... آزمایش 5: گرمای نهان ذوب یخ... 5 آزمایش 6: معادل مکانیکی گرما... 8 آزمایش 7: انبساط گازها... آزمایش 8: تعیین سرعت صوت در هوا... 4 آزمایش 9: لوله های صوتی... 7
آزمایش : گرمای ویژه جامدات
هدف آزمایش: وسایل مورد نیاز: تئوری آزمایش: تعیین گرمای ویژه جامدات. کالری متر- دماسنج- فلز مس - هیتر- ترازو - بشر گرما انرژی انتقال یافته از یك سیستم به سیستم دیگر است که اختالف دمای بین آن دو دلیل این امر است. فرض کنیم بین یك جسم و محیط خارج مقدار گرمای dq مبادله شده است. هرگاه دمای جسم به اندازه dt Cرا dq / dt ظرفیت گرمائی جسم مینامند. چون گرمای مبادله شده dq معموال متناسب با m جرم جسم است. c ظرفیت گرمائی ویژه جسم چنین تعریف میشود: c dq / mdt )( تعریف فیزیکی ظرفیت گرمایی ویژه: مقدار گرمای الزم برای یك درجه افزایش دمای واحد جرم ماده را گرمای ویژه آن جسم مینامیم. مقدار گرمای کلی مبادله شده توسط جسم با محیط را در فاصلهی دمایی T Q m T T c. dt )( و Tبه طریق زیر میتوان محاسبه نمود: تغییر کند بنا به تعریف نسبت گرمای ویژه اجسام با دما تغییر میکند بنابراین باید c به صورت تابعی از T بیان شود تا انتگرال فوق قابل محاسبه باشد. هرگاه در فاصله معین بتوان c را ثابت فرض نمود. رابطه )( به صورت زیر در میآید: Q mc( T T) )3( هرگاه دو یا چند جسم با دماهای مختلف در یك محفظه عایق بندی شده با هم در تماس باشند پس از مدتی به تعادل گرمایی میرسند یعنی هم دما میشوند. به عنوان مثال اگر دو جسم با دماهای متفاوت را با هم تماس دهیم. گرما از جسمی که دمایش باالتر است به جسمی که دمایش پایینتر است انتقال مییابد تا اینکه دو جسم هم دما شوند. این دما را دمای تعادل میگویند. با توجه به قانون بقای انرژی گرمایی که جسم با دمای باالتر از دست میدهد برابر گرمائی است که جسم با دمای پایینتر میگیرد تا هردو به دمای تعادل برسند. با فرض اینکه سیستم با محیط بیرون تبادل گرما نداشته باشد داریم: Q Q Q Q3 mc( T T ) Mc( T T ) A( T T t t t ) )4( بنابراین ظرفیت گرمایی ویژه مس طبق رابطه زیر به دست خواهدآمد: ( M A)( T Tt ) c m( T T ) t )5( در رابطه باال m جرم مس M جرم آب داخل کالری متر T دمای اولیه مس T دمای اولیه آب و کالری متر T t A ارزش آبی کالری متر است. دمای تعادل سیستم و مراحل انجام آزمایش: - جرم مس را اندازه بگیرید و به همراه دماسنج داخل بشری از آب قرار دهیدسپس آن ها رابه وسیله نخ به پایه متصل کنید. - دقت کنید مقدار آب داخل بشر به مقداری باشد که جسم مورد نظر و مخزن دماسنج کامال داخل آب قرار گیرند. 3
بشر را روی هیتر قرار داده سپس هیتر را روشن کرده و صبر کنید تا آب به جوش بیاید و بعد از تعادل حرارتی ایجاد شده دما را به کمك دماسنج یادداشت کنید. کالری متر را انتخاب کنید و آن را توزین کنید سپس مقداری آب داخل کالری متر ریخته و مجددا وزن آن را به دست بیاورید با تفاضل این دو مقدار وزن آب موجود در کالری متر را تعیین و یادداشت کنید. دمای اولیه کالری متر و آب داخل آن را اندازه گرفته و یادداشت کنید. پس از تعیین دمای اولیه مس جسم آویزان را به کمك نخ سریعا از داخل آب خارج کرده و داخل کالری متر قرار داده و در کالری متر را ببندید. - چون در این فاصله زمانی جسم مورد نظر کمی حرارت از دست میدهد این مقدار افت دما را که حدود دو الی سه درجه است در نظر بگیرید. - دقت کنید زمان وارد کردن جسم به داخل کالری متر آب به بیرون ظرف نریزد. مدتی صبرکنید تا جسم موردنظر کالری متر و متعلقات آن به دمای تعادل برسند سپس این دما را یادداشت کنید. به کمك رابطه )4( ظرفیت گرمایی ویژه مس را اندازه بگیرید. درصد خطای نسبی را محاسبه کنید. - -3-4 -5-6 -7-8 شکل) ( 4
آزمایش : ویژه گرمای مایعات به روش سرد کردن 5
هدف آزمایش : تعیین گرمای ویژه الکل به روش سرد کردن با استفاده از قانون اتالف حرارتی نیوتن و با مقایسه با مایعی که گرمای ویژهاش معلوم است. وسایل آزمایش : دو لوله آزمایش مشابه - بشر دو دماسنج گیره و پایه هیتر مایع مورد آزمایش ( الکل ) تئوری آزمایش : قانون اتالف حرارتی نیوتن : هر گاه دمای جسمی از دمای اجسام اطراف خود بیشتر باشد جسم از طریق هدایت جابجایی و تابش به محیط اطراف گرما منتقل میکند و به تدریج سرد میشود تا به دمای تعادل برسد. گرمای منتقل شده در واحد زمان طبق این قانون مستقیما با اختالف دمای جسم و محیط و سطح تماس جسم و محیط بستگی دارد. اگر ) بعد از t ثانیه از رابطه زیر بدست میآید : T S )( دمای محیط و T دمای اولیه جسم باشد دمای جسم ( T T T ( S T T ) S e Kt m b در این رابطه K است که در آن mc جسم و محیط و دمای محیط بستگی دارد. جرم مایع c گرمای ویژه مایع و b ثابتی است که ضریب تابش نام دارد و به سطح تماس تعیین گرمای ویژه مایع با استفاده از قانون نیوتن : دو مایع با جرمهای و m m و گرمای ویژه و c c مجاورت هوای محیط قرار میدهیم تا سرد شوند. تغییرات دمای مایع اول بعد از مفروضند. هر دو مایع را گرم کرده و به دمای یکسان T t ثانیه و مایع دوم بعد از e e t )( میرسانیم و سپس در ثانیه به صورت زیر است : T T T T T T S S T ( T ( T e T T S S ) ) e Kt K t Kt K t bt mc Kt K t bt mc اگر دو مایع بعد از این بازه زمانی به دمای یکسان T برسند داریم : )3( اگر از ابتدای آزمایش سطح تماس هر دو مایع با محیط را عینا مثل هم قرار دهیم ( مثال از دو لوله آزمایش مشابه استفاده کنیم و آنها را تا حجم یکسانی از مایعها پر کنیم ) در این صورت b = b خواهد بود و داریم : t m )4( c c t m بدین ترتیب با معلوم بودن کافی است مدت زمانی که دو مایع به دمای یکسان T میرسند را اندازه بگیریم و در رابطه )4( قرار دهیم تا c c بدست آید. مراحل انجام آزمایش : دو لوله آزمایش کامال مشابه بردارید یکی را به الکل ودیگری را به آب اختصاص دهید و لوله ها را توزین کنید. تا ارتفاع مساوی در یکی از لولهها آب و در دیگری الکل بریزید و مجددا لوله ها را توزین کنید. - - 6
- ارتفاع مایع درون لولهها باید یکی باشد تا سطح تماس دو مایع با محیط یکسان شود. این ارتفاع را حدود نصف ارتفاع لوله انتخاب کنید. - برای اندازه گیری جرم مایع درون لوله لوله را درون یك بشر قرار دهید و سپس وزن کنید. با به دست آوردن اختالف جرم لوله های خالی و پر جرم مایع های مورد نظر را به دست آورید. دو لوله آزمایش را مطابق شکل توسط گیره به پایه محکم کنید و در داخل بشری از آب قرار دهید. -3-4 - برای جلوگیری از شکستن لوله سعی کنید گیرهها مستقیما با لولهها تماس پیدا نکنند. برای این کار میتوانید از مقداری دستمال کاغذی استفاده کنید. - میزان آب درون بشر به قدری باشد تا دو مایع درون آب قرار گیرند. شکل) ( 5- درون هر کدام از لولهها یك دماسنج قرار دهید. برای جلوگیری از فرار الکل از چوب پنبه کمك بگیرید. - سعی کنید دماسنج با بدنه لوله آزمایش تماس نداشته باشد. بشر را روی هیتر قرار داده و آن را روشن کنید تا آب داخل بشر گرم شود و با همزن آنرا به هم بزنید. هنگامی که دمای یکی از دماسنجها به 4 c رسید هیتر را خاموش کنید و صبر کنید تا دمای دو لوله به مقدار یکسان )دمای تعادل( برسد. سپس لوله ها را از داخل بشر خارج کرده و در محیط قرار دهید همزمان کرنومتر را به کار بیندازید هر 3 ثانیه دمای هر دو مایع را -6-7 بخوانید و در جدول زیر یادداشت کنید. - چنانچه تغییرات دما کم است فاصله زمانی خواندن دماسنج را زیادتر اختیار کنید ( مثال یك دقیقه ). 7
t = sec 3 sec 6 sec 9 sec... دمای آب دمای الکل -8-9 منحنی تغییرات آب و الکل را حین سرد شدن بر حسب زمان بر روی یك صفحه مختصات رسم کنید. با کشیدن خط افقی میتوانید زمانهایی که به ازاء آنها دمای دو مایع به مقدار یکسانی مثل T رسیده است را بدست آورید ( t و.) t - با معلوم شدن و t t با استفاده از رابطه - مراحل 9 و را برای سه مقدار متفاوت T - نتیجه نهایی را با محاسبه خطا بیان کنید. t m c t m c تکرار کنید و سه مقدار برای گرمای ویژه الکل را بدست آورید. c بدست آورید و متوسط گیری کنید. 8
: آزمایش 3 انبساط طولی جامدات 9
هدف آزمایش : تعیین ضریب انبساط طولی میله فلزی. وسایل آزمایش : میله فلزی دستگاه تهیه بخار)دیگ بخار( دستگاه عبور بخار - دیالومتر خط کش میلیمتری دماسنج - هیتر تئوری آزمایش : هنگامیکه در اثر گرما دمای جسمی باال می رود دامنه ارتعاشات اتم ها درشبکه بلوری جسم جامد افزایش می یابد این ارتعاشات سبب افزایش فاصله متوسط بین اتم ها می گردد و جسم منبسط می شود این امر از دیدگاه ماکروسکوپیك به افزایش طول جسم جامد می انجامد. تغییرخطی هر بعد جسمی جامد )مانند طول عرض و یا ضخامت( را یك انبساط خطی می نامند. آزمایشات تجربی نشان می دهد که تغییر طول یك جسم ( )( دارد : ) l و مقدار افزایش دما ( T ) بستگی ) l در اثر گرما به طول اولیة جسم ( l l l T l l T در این رابطه α ضریبی است که به خصوصیات فیزیکی جسم بستگی دارد )α به دما نیز بستگی دارد ولی در مقایسه با دقت الزم در اندازه گیری ها قابل چشم پوشی است (و ضریب انبساط خطی نامیده می شود. دقت کنید وقتی جسم جامدی را گرم می کنیم در هر سه بعد انبساط خطی داریم. تغییر طول هر بعد مثال طول عرض یا ارتفاع از رابطة A A T V 3V T )( بدست می آید. ولی می توان برای جسم جامد به ترتیب زیر ضریب انبساط سطحی و حجمی نیز تعریف کرد : )( مراحل انجام آزمایش : - - -3-4 -5-6 طول اولیه میله را توسط خط کش اندازه گیری کرده و یادداشت کنید. میله را توسط چوب پنبه در لوله شیشه ای قرار دهید و لوله را بوسیله بست بر روی پایه محکم کنید. )یك انتهای میله حدود چند سانتی متر از چوب پنبه بیرون باشد.( داخل دستگاه بخار را تا نیمه آب کنید و لولة بخار را به محفظه ی مربوطه متصل کنید. سپس آنرا روی هیتر قرار دهید. دماسنج را در محل تعبیه شده در وسط لوله ی شیشه ای قرار دهید و تا جای ممکن باید به میله نزدیك باشد. کمی صبر کنید تا به حالت تعادل دمایی برسد و دمای اولیة میله ( T( را یادداشت کنید. دیالومتر را از یك طرف مماس بر نوک میله قرار دهید و آن را روی یك عدد تنظیم کرده درجة آن را خوانده و یادداشت کنید. این عدد به عنوان مبدأ تلقی می شود.)برای راحتی کار می توان آن را روی صفر تنظیم کنید.( هیتر را روشن کنید و منتظر بمانید تا آب آن به جوش بیاید. مشاهده می کنید که بخار آب به داخل محفظه رفته و با گرم شدن میله دمای آن بدست آورید. تا آنجا باال می رود که سیستم به حالت تعادل حرارتی برسد. در این مرحله مقدار افزایش طول میله ( l ) را توسط دیالومتر
سپس لوله را از محفظه ی شیشه ای جدا کرده و به ازاء هر 5 درجه کاهش دما l را یادداشت کنید. با استفاده از رابطة )( منحنی تغییرات l بر حسب T را رسم کرده و به کمك شیب آن ضریب انبساط خطی را بدست آورید. درصد خطای نسبی را محاسبه کنید. -7-8 -9 گهي سنج ميل مهرد آزمايش دماسنج د ستگاه لووهلوو پالستيكي شکل) (
: آزمایش 4 انبساط حجمی مایعات
هدف آزمایش : تعیین ضریب انبساط حجمی الکل. وسایل آزمایش : الکل - پیکنومتر دماسنج بشر هیتر همزن ترازو تئوری آزمایش : شکل مقابل یك ظرف شیشه ای را نشان می دهد که کامال از مایعی با ضریب انبساط حجمی β پر شده است. انبساط حجمی مایعات تقریبا در حدود ده برابر جامدات است لذا اگر ظرف شیشه ای و محتویات آن را گرم کنیم مایع درون آن بیشتر از ظرف منبسط می شود به همین منظور روزنه ای در باالی ظرف تعبیه شده است تا مازاد مایع منبسط شده بیرون بریزد. ρ اگر در دمای T حجم شیشه برابر V و جرم مایع و چگالی آن باشد و بعد از گرم کردن دمای سیستم به مقدار T برسد m خواهیم داشت : V V( T ( T ) حجم شیشه در دمای ) : T چگالی مایع در دمای T : توجه کنید که مقداری از مایع از روزنه به بیرون می ریزد لذا از جرم مایع موجود در ظرف کاسته می شود. مقدار جرم مایع موجود در ظرف در دمای T را میتوان بصورت زیر بدست آورد : m V ( T ) V ( T ) V ( T )( T T...) جرم مایع در دمای : T )( با توجه به کوچك بودن β وγ می توان از جمالت شامل و β γ V T )( صرف نظر کرد و خواهیم داشت : m V V V V ( T )( T ) T T اگر از جملة آخر در عبارت باال نیز صرف نظر کنیم خواهیم داشت : m V V ( ) T m m ( )( T T ) m[ ( ) T m ( ) T ] )3( m مراحل انجام ازمایش : ابتدا جرم پیکنومتر خالی را بدست آورید )توجه داشته باشید که پیکنومتر کامال خشك باشد(. باشد. داخل پیکنومتر الکل بریزید و درپوش آنرا قرار دهید و مطمئن شوید که الکل تمام حجم ظرف و لولة مویین داخل درپوش را پر کرده - - 3
بشر را پر از آب کرده و پیکنومتر را تا لبه در آن قرار دهید. دماسنج را طوری تنظیم کنید تا مخزن آن دقیقا کنار پیکنومتر قرار بگیرد.مدت کوتاهی صبر کنید تا دمای آب و الکل یکسان شود این دما را به عنوان دمای T یادداشت کنید. - در این مرحله سطح الکل مقداری پایین آمده با کمك سرنگ داخل لوله مویین مقداری الکل بریزید. پیکنومتر را از آب خارج کرده سطح آن را با دستمال خشك کرده وسپس جرم آن را اندازه گرفته و یادداشت کنید. مجددا پیکنومتر را در داخل بشر قرار داده و هیتر را روشن کرده و با همزن آب را به هم بزنید تا دمای تمام قسمت های آب یکی شود زمانی که دمای آب 5 درجه باال رفت شعله را خاموش کرده و آب را هم بزنید تا دمای الکل و پیکنومتر و آب به مقدارثابت T برسد. این دما را یادداشت کرده و پیکنومتر را از آب خارج کرده و پس از خشك نمودن سطح آن مجددا وزن آن را اندازه بگیرید. این عملیات را برای حداقل 5 دمای مختلف تکرار کنید و جدول زیر را تکمیل کنید. -3-4 -5-6 -7 ) gr mجرم ( الکل ) C Tدمای ( o الکل منحنی m بر حسب T را رسم کنید و با توجه به رابطة )3( با اندازه گیری شیب و عرض از مبدأخط β را بدست آورید. ( برای شیشه -5 /76 =.) خطای نسبی آزمایش را به دست آورید. -8-9 شکل) ( 4
آزمایش 5: گرمای نهان ذوب یخ 5
هدف آزمایش:تعیین گرمای نهان ذوب یخ وسایل مورد نیاز:کالری تئوری آزمایش: متر-دماسنج ترازو- یخ به مقدار لزوم. اجسام دارای سه حالت فیزیکی جامد مایع یا گاز هستند. وقتی به یك جسم جامد گرما می دهیم دمای آن افزایش می یابد هنگامیکه دمای جسم به مقدار مشخصی رسید دمای آن ثابت می ماند وجسم شروع به ذوب شدن می کند این دمای مشخص را که به جنس جسم وفشار وارد بر آن بستگی دارد نقطه ی ذوب می نامیم. انتقال از حالتی به حالت دیگر باگرفتن یا پس دادن گرماونیز باتغییر حجم همراه است. عمل ذوب گرماگیر است گرمایی که جسم جامد در نقطه ی ذوب خود می گیرد سبب تغییردمای آن نمی شود بلکه صرف تغییر حالت جسم خواهد شد از این رو به این گرما گرمای نهان ذوب می گوییم. گرمای نهان ذوب L f عبارتست از مقدار گرمایی که واحد جرم جسم می گیرد تا در دما و فشار ثابت ازحات جامد به حالت مایع تبدیل شود. دادن گرمای نهان ذوب به جامدی که به دمای ذوب خود رسیده باشد آن را ذوب می کند.گرفتن گرمای نهان ذوب از مایعی که به نقطه ی انجماد خود رسیده است آن را منجمد می کند. شکل) ( Q Q Q Q3 Q4 mc( T T ) ml Mc( T T ) A( T T t f t t ) ( M A)( T Tt ) mc( Tt T ) L f m T دمای اولیه آب و کالری متر دمای اولیه یخ )( )( در رابطه باال m جرم یخ L f دمای تعادل سیستم و A ارزش آبی کالری متر است. گرمای نهان ذوب یخ M جرم آب داخل کالری متر T t T - ظرفیت گرمای ویژه آب cal است. gr c 6
مراحل انجام آزمایش: کالری متری را انتخاب کنید و آن را توزین کنید سپس نصف کالری متر را از آب پر کرده و مجددا وزن آن را به دست بیاورید با تفاضل این دو مقدار وزن آب موجود در کالری متر را تعیین و یادداشت کنید. به کمك دماسنجی که در داخل کالری متر تعبیه کرده اید دمای اولیه آب و کالری متر را بخوانید و یادداشت کنید. مقداری مخلوط آب و یخ را در یك بشر قرار دهید. آن را هم زده و اندکی صبر کنید تا به دمای تعادل حدود صفر برسد این دما را یادداشت کنید. یك تکه یخ را برداشته و خشك کنید داخل کالریمتر انداخته و سریعا در کالری متر را ببندید. به آرامی آب داخل کالری متر را هم زده و مدتی صبرکنید تا کالری متر و متعلقات آن به دمای تعادل برسند سپس این دما را یادداشت کنید. اکنون کالریمتر محتوی آب و یخ ذوب شده را توزین کرده و از جرم آب و کالری متر که قبل از انتقال یخ بدست آورده اید کم کنید تا جرم یخ ذوب شده بدست آید. با استفاده از رابطه ی )( گرمای نهان ذوب یخ را بدست آورید. درصد خطای نسبی را محاسبه کنید. - - -3-4 -5-6 -7-8 7
آزمایش 6: معادل مکانیکی گرما 8
هدف آزمایش: وسایل مورد نیاز: تئوری آزمایش: تعیین معادل مکانیکی گرما به روش الکتریکی کالری متر با سیم مقاوم- آمپرمتر- ولت متر- منبع تغذیه- دماسنج- کرنومتر. W Q تحقیق تجربی رابطه بین کار و گرما نخستین بار توسط ژول صورت گرفته است. اگر کار W کامال صرف تولید گرمای Q شود نسبت همواره مقدار ثابتی است که فقط بستگی به واحدهای W و Q دارد این مقدار ثابت را با J نمایش می دهند و آن را معادل مکانیکی گرما می نامند. اگر W و Q هر دو بر حسب ژول بیان شوند =J است به عبارت دیگر یك ژول کار معادل یك ژول گرماست و اگر W بر حسب ژول و Q بر حسب کالری بیان شود کالری/ ژول =J 4/85 است یعنی برای تولید یك کالری گرما 4/85 ژول کار الزم است. برای تعیین مقدار عدد J الزم است مقدار مشخصی کار را به گرما تبدیل کرد و مقادیر کار مصرف شده و گرمای حاصل شده را سنجیده و نسبت آنها را حساب کرد. در این آزمایش انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کنیم. برای این منظور از حرارت تولید شده حاصل از عبور جریان الکتریسیته از سیم پیچ مقاومی که درون آب داخل کالری متر قرار دارد استفاده می کنیم. اگر به ازاء ولتاژ V که به دو سر سیم پیچ اعمال می شود جریان عبوری از آن I باشد انرژی الکتریکی W که در زمان t در سیم پیچ ایجاد شده عبارتست از: W VIt )( این انرژی به گرما تبدیل شده و اگر تصور کنیم که اتالف حرارت وجود نداشته باشد می توان فرض کرد که تمام این گرما که داخل کالری متر T T ایجاد شده است. سبب افزایش دمای آب و اجزاء داخل کالریمتر از دمای اولیه به گردیده است. لذا اگر m جرم آب و A ارزش آبی کالریمتر و متعلقات آن باشد مقدار گرمای ایجاد شده با توجه به اینکه گرمای ویژه آب یك است از رابطه زیر به دست می آید. Q ( m A)( T T ) )( با توجه به اینکه W J با جایگزینی مقادیر W و Q که از روابط )( و) ( نتیجه می شود. داریم: Q J W Q VIt m A)( T T ) ( )3( شکل )( 9
- مراحل انجام آزمایش: - - -3-4 -5-6 -7-8 کالری متر را انتخاب و توزین کنید. مقداری آب داخل کالریمتر بریزید تا مقاومت کالری متر کامال داخل آب قرار گیرد حال مجددا آن را وزن کنید. با تفاضل دو مقدار فوق جرم آب داخل کالریمتر را به دست آورید. به کمك دماسنجی که در داخل کالری متر تعبیه کرده اید دمای اولیه آب و کالری متر را بخوانید و یادداشت کنید. دقت کنید مخزن دماسنج کامال داخل آب قرار گرفته و با مقاومت ها و یا جدار کالری متر تماس نداشته باشد. مداری مطابق شکل ببندید. مدار را وصل کرده و همزمان با وصل مدار کرنومتر را به کار اندازید. صبر کنید تا دمای دماسنج داخل کالریمتر چند درجه ای باال رود. حال مدار و کرنومتر را هم زمان قطع کنید. همزمان با قطع مدار مدت زمان عبور جریان )t( شدت جریان مدار )I( و ولتاژ دو سر داخل کالریمتر )V( را از روی آمپرمتر و -9 ولتمتر بخوانید و یادداشت کنید. آب درون کالریمتر را با همزن هم بزنید و منتظر شوید تا دمای دماسنج ثابت شود این دما را یادداشت کنید. - با استفاده از رابطه ی )3( معادل مکانیکی گرما را به دست آورید. - ولتاز منبع تغذیه را تغییر داده و کالریمتر را خشك کرده و حداقل برای دو مورد دیگر مجددا تمامی مراحل آزمایش را تکرار کنید. - میانگین J را به کمك مقادیر به دست آمده را محاسبه نمایید. 3- درصد خطای نسبی را محاسبه کنید. m شماره آزمایش T T V I t J 3
: آزمایش 7 انبساط گازها
هدف آزمایش وسایل آزمایش تئوری آزمایش : : بررسی قانون بویل ماریوت : دستگاه بویل ماریوت کولیس. گازها برخالف جامدات که از نظم خاصی پیروی می کنند شکل فضایی و ابعاد مشخصی ندارند. برای گازها کمیاتی همچون حجم فشار و دما تعریف می شود که مستقل از هم تغییر نمی کنند و شدیدا به هم وابسته اند. این وابستگی را می توان بصورت (P,T,m) V = f نشان داد که به آن معادلة حالت می گویند. )m در این رابطه جرم گاز است( PV nrt معادله حالت گاز کامل: جربه نشان می دهد که برای جرم معینی از گاز در دمای ثابت رابطة فشار و حجم گاز بصورت V می باشد. این قانون که P نخستین بار توسط بویل در انگلستان و ماریوت در فرانسه بطور جداگانه بدست آمد قانون بویل ماریوت نامیده می شود و می توان آن را به شکل زیر نوشت: PV cte دستگاه بویل ماریوت دستگاه بویل ماریوت یك لولة U شکل است. یکی از لوله ها ( لولة شمارة ) ثابت است و دهانة آن کامال بسته است و لولة دیگر ( لولة شمارة ) توسط لولة پالستیکی قابل ارتجاعی به لولة اول متصل است و می توان آن را در راستای قائم حرکت داد. اگر درون لوله جیوه بریزیم مطابق شکل زیر مقداری هوا در باالی لولة شمارة محبوس می شود که نمونة گاز مورد نظر ما محسوب می شود. فشار هوای محبوس برابر با فشار نقطة A است و فشار در این نقطه طبق رابطه زیر به دست می آید: P A PB gh P gh )( می توان فشار را بر حسب سانتی متر یا میلی متر جیوه بصورت زیر نوشت : P A P h )( شکل )( شکل )(
مراحل انجام آزمایش: لولة متحرک را در راستای قائم جابجا کنید و ارتفاع ستون جیوه را یادداشت کنید. با باال و پایین بردن لولة متحرک حجم هوای محبوس را تغییر داده و حجم گاز را به دست آورید. - - ارتفاع ستون هوای محبوس را در مساحت قاعدة لوله ضرب کنید. برای اندازه گیری قطر لوله از کولیس استفاده کنید. - - 3- فشار گاز محبوس را با استفاده از رابطه )( بدست آورده و جدول زیر را تکمیل کنید. منحنی تغییرات P بر حسب را رسم کرده و درستی رابطه V را بررسی کنید. P V -4 فشار هوای آزمایشگاه) 667 میلی متر جیوه است. ) P - P (cm Hg) V ( mm ) 3 ( mm ) -3 V 3
: آزمایش 8 تعیین سرعت صوت در هوا 4
هدف آزمایش : وسایل آزمایش : تئوری آزمایش : اندازه گیری سرعت صوت در هوا اسیالتور فرستنده و گیرنده خطکش سیم رابط امواج صوتی از نوع امواج مکانیکی طولی هستند که در اثر ارتعاش یك جسم کشسان تولید می شوند و درگازها و مایعات و جامدات منتشر می شوند. گوش انسان صوت هایی را می شنود که فرکانس آن ها بطور متوسط بین هرتز و هرتز باشد. فرکانس های بیش از هرتز را فراصوت و کمتر از هرتز را فروصوت می نامند. صوتی که از یك منبع صوت تولید می شود بالفاصله به گوش نمی رسد بلکه با سرعتی که از سرعت نور به مراتب کمتر است در هوا منتشر می شود انتشارصوت در واقع انتشار حرکت ارتعاشی منبع مولد صوت است. امواج منتشر شده از منبع حامل انرژی مکانیکی هستند برای انتقال این انرژی مکانیکی باید یك محیط االستیك بین فرستنده یا گیرنده وجود داشته باشد. در آزمایشگاه می توان با کمك اسیالتور )نوسان ساز( نوسان هایی با فرکانس های دلخواه را ایجاد کرد. اگر امواج ایجاد شده بوسیله فرستنده و دریافت شده از گیرنده را اگر پس از تقویت به صفحات قائم و افقی اسیلوسکوپ بدهیم ترکیب این دو موج را روی صفحه ی اسیلوسکوپ مشاهده می کنیم. با تغییر فاصله فرستنده و گیرنده چون اختالف فاز دو موج تغییر خواهد کرد شکل دو موج نیز تغییر می کند. در صورتیکه دو موج هم فاز باشند ترکیب دوموج خطی درناحیه اول و سوم اگر اختالف فاز 9 درجه باشد یك بیضی و اگر اختالف فاز 8 درجه باشد خطی درناحیه دوم و چهارم مشاهده می شود. با اندازه گیری طول موج می توان سرعت انتشار امواج صوتی ایجاد شده رابا استفاده از رابطه v = f محاسبه کرد. - - مراحل انجام آزمایش : - - مدار را مطابق شکل )( ببندید. شکل) ( یعنی ابتدا دو سرفرستنده را به خروجی اسیالتور وصل کنید. و دوسرگیرنده رابه ورودی قائم اسیلوسکوپ متصل سازید. گیرنده و فرستنده را طبق شکل روی سطح صاف روبروی هم مقابل لبه خطکش قراردهید. فرکانس اسیالتور را تعیین کنید. همچنین از دو سر فرستنده به ورودی افقی اسیلوسکوپ وصل کنید 5
فرستنده راثابت نموده و گیرنده را در همان امتداد تغییر مکان دهید که روی صفحه اسیلوسکوپ یك خط درناحیه اول و سوم ایجاد شود این دقیق ترین محل برای دو موج هم فاز می باشد )حالت اول( در این حالت فاصله x (را از روی خط کش یادداشت کنید. ( -3 شکل) ( -4-5 مجددا محل گیرنده را تغییر دهید تا روی صفحه اسیلوسکپ یك خط در ناحیه دوم و چهارم ایجاد شود این حالت دقیق ترین محل برای دو موج در فاز مقابل است )حالت دوم( در این حالت فاصله ) x را از روی خط کش یادداشت کنید. ( فاصله این دو حالت گیرنده را بدست آورید این مقداربرابر نصف طول موج است. ( ) x x -6 تغییر مکان گیرنده را ادامه دهید تا دوباره خطی درناحیه اول و سوم ایجاد شود)حالت سوم( ) x 3 را یادداشت کنید. فاصله ( -7 فاصله این حالت گیرنده را از اولین حالت بدست آورید که برابر یك طول موج است. ( ) x 3 x -8-9 با استفاده از مقادیر به دست آمده طول موج میانگین را محاسبه کنید. با استفاده از رابطه v f سرعت صوت را در دمای آزمایشگاه بدست آورید. - آزمایش را برای فرکانس های مختلف تکرار کرده و جدول را تکمیل نمائید. - منحنی تغییرات را بر حسب f رسم کرده با اندازه گیری شیب خط سرعت صوت )v( را محاسبه کنید. - با توجه به مقدار دقبق سرعت صوت درصد خطای نسبی آزمایش را محاسبه کنید. f شماره آزمایش f 3 4 6
آزمایش 9: لوله های صوتی 7
هدف آزمایش: - - تولید موج ایستاده محاسبه سرعت صوت وسایل آزمایش: تئوری آزمایش: دستگاه لوله صوتی- اسیالتور یکی از روش های مطالعه امواج صوتی تولید موج ایستاده )نوعی موج طولی( است. برای تولید موج ایستاده می توان از لوله ای با یك انتهای بسته و یك انتهای باز استفاده کرد. اگر بتوان از سمت باز لوله به وسیله فرکانس معینی درون لوله را تحریك کرد در طول های مشخصی از لوله امواج ایستاده ای ایجاد شود که باعث تولید صدایی می شود که با گوش قابل شنیدن است این حالت را تشدید می گویند. درحالت تشدید در لوله های بسته در قسمت بسته گره و درقسمت باز شکمایجاد می شود. l k) است در این رابطه طول موج و k عددی صحیح است. شرط تشدید در لوله های بسته ( 4 با استفاده از لوله های بسته و تشکیل تشدید در آنها می توان سرعت صوت را در هوا اندازه گرفت. برای این کار از رابطه بین سرعت صوت در گازها با فرکانس صوت f و طول موج آن استفاده کنیم. (.) v f در لوله ای با یك انتهای بسته تنها به ازای هماهنگ های فرد موج ایستاده تشکیل می شود. هماهنگ اول را تشدید اصلی می نامند. برای ایجاد موج ایستاده در لوله با توجه به شکل )( طول مقداری از لوله که در آن هوا قرار دارد باید ضریب فرد از یك چهارم طول موج صدای ایجاد شده درون لوله باشد. شکل) ( مراحل انجام آزمایش: - مخزن آب و لوله شیشه ای را به اندازه کافی از آب پر کنید. - بلندگو را در فاصله تا 3 سانتیمتری از لبه لوله شیشه ای بطوریکه وسط آن بر وسط دهانه لوله شیشه ای منطبق باشد قرار دهید و سیم های رابط بلندگو را به خروجی اسیالتور متصل کنید. 3- اکنون اسیالتور را روی یك فرکانس مشخص قرار داده و اسیالتور را روشن کنید. 8
در حالیکه بلندگو در قسمت باالی لوله در حال ارتعاش است سطح آب را به آهستگی پایین آورید تا در صوت منتشر شده در لوله صوتی افزایش صدا بوجود آید در این حالت در لوله صوتی یك حالت تشدید ایجاد شده سطح آب را در این حالت کمی باال و پایین ببرید تا دقیقا محل ماکزیمم تشدید بدست آید محل مسطح آب در حالت تشدید را از روی درجات شیشه یادداشت کنید. این عملیات را در امتداد لوله شیشه ای مدرج تکرار کنید و دو حالت تشدید دیگر را نیز پیدا کنید. چون فاصله بین هر دو تشدید نصف طول موج می باشد طول موج را محاسبه کرده و هر مرحله متوسط آن را به دست آورید. این آزمایش را برای فرکانس های مختلف تکرار کنید و با توجه به معادله ( و سرعت صوت را به دست آورید. f ) v f منحنی تغییرات را بر حسب رسم کرده -4-5 -6-7 شماره آزمایش f f 3 4 شکل) ( 9