II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА.
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.