ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА.

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА.

Ермолаева Д.А. 1Сорокина А.В. 1
1МОУ СОШ №4 с УИОП
Пещеркина В.В. 1
1МОУ СОШ №4 г.Фрязино
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 Введение

В данной работе авторы поставили перед собой цель – исследовать метод определения средней скорости теплового движения молекул газа по реактивному действию газовой струи, принимая, что молекулы газа вылетают из сосуда с этой скоростью. Авторы работы самостоятельно сконструировали экспериментальную установку. Для решения данной проблемы авторы использовали простое оборудование, доступное в школьных условиях. Исполнители работы считают, что, сравнивая экспериментальное значение средней скорости теплового движения молекул газа с теоретическим значением скорости при этой температуре, исследование позволяет в рамках допустимой погрешности измерения убедиться в справедливости молекулярно-кинетической теории идеального газа. Данную исследовательскую работу можно использовать на уроках физики в качестве обучающего пособия.

Теоретическая часть:

Одно из основных свойств вещества в газообразном состоянии – это способность газа неограниченно расширяться и занимать любой предоставленный ему объем. Используя способность газа к неограниченному расширению, можно оценить приблизительную скорость теплового движения его молекул.

Если в сосуде, заполненном газом, имеется отверстие, то молекулы газа будут вылетать из него с теми же скоростями, с какими они движутся внутри сосуда. Можно считать, что скорость истечения газовой струи из сосуда в вакууме примерно равна средней скорости теплового движения молекул.

Истечение газовой струи приводит к возникновению реактивной силы.

Сосуд, как ракета, движется в противоположном направлении.

В качестве сосуда можно взять пластмассовую бутылку из-под шампуня. Бутылку следует насадить на резиновую пробку с отверстием с таким усилием, чтобы она слетала с пробки при избыточном давлении около 105 Па.

Накачивая воздух в бутылку, постепенно повышают давление в ней. Когда бутылка, как ракета, взлетает вертикально вверх, из нее выходит воздух до тех пор, пока давление оставшегося в ней воздуха не понизится до атмосферного. Масса m выходящего из «ракеты» воздуха можно найти из уравнения Менделеева-Клапейрона:

∆pV = (m/M)*RT, где ∆p – избыточное давление воздуха в сосуде, измеренное манометром, V – объем бутылки, M – молярная масса газа, T – его температура.

Практическая (исследовательская) часть:

Масса бутылки (сосуда)

mс = 23,7 г = 23,7*10-3 кг

Объем бутылкиV = 330 мл = 3,3*10-4 м3

Атмосферное давление Избыточное давление

pатм = 750 мм рт ст = 105 Па ∆p = 1 атм = 105 Па

Высота подъема бутылки H = 2,5 м (бутылка попадала в потолок, пришлось установку опустить на пол)

Молярная масса воздуха

M = 29*10-3 кг/моль

Температура воздуха

t° = 22°С

T = 273°+22° = 295 К

Вычисления:

1) Из Закона сохранения импульса:

mcVc = mгVг

Vг = mcVc/mг

2) Уравнение Менделеева-Клапейрона для массы газа (воздуха), вышедшей из бутылки:

∆pV = (mг/Mвоздуха)*RT

mг = (∆pV*Mвоздуха)/RT

mг = (105 Па* 3,3*10-4 м3 *29*10-3 кг/моль) / (8,31 Дж/К*моль*295 К) =

= 3,9*10-4 кг

Заключение:

Относительная погрешность измерения не превосходит 25-30%.

Следовательно, оценку средней скорости теплового движения молекул воздуха можно считать вполне удовлетворительной.

Практическая значимость работы:

Данную исследовательскую работу можно использовать на уроках физики в качестве обучающего пособия при изучении темы «Молекулярно-кинетическая теория» в 10-м классе, а также при подготовке к ЕГЭ в 11-м классе.

Список использованной литературы:

Физика. 10 класс. Молекулярная физика. Термодинамика. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Учебник для углубленного изучения физики, «Дрофа», Москва, 2002 г.

Физический практикум для классов с углубленным изучением физики. Под редакцией Дика Ю.И., Кабардина О.Ф., «Просвещение», Москва, 1993 г.

Просмотров работы: 1002