VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание работы лабораторного практикума «Определение заряда электрона»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Изучая физику, я столкнулся с такой постоянной величиной, как заряд электрона. Он равен: . Заряд электрона был определен в 1874 году. Я задумался, как такую маленькую величину смогли определить более чем сто лет назад? В то время не существовало компьютеров и мощных вычислительных машин. Значит и сегодня можно повторить эти рассуждения и эксперименты в школьном кабинете физики на уроках лабораторного практикума. И показать одноклассникам, что компьютер это не единственное средство в изучении нашего мира.
Цель моей работы: Создать для кабинета физики школы работу лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»
Задачи, которые стояли передо мной были следующие:
1) Изучить закон Фарадея.
2) Познакомиться с процессом электролиза.
3) Изучить метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрать к нему оборудование.
4)Экспериментальным путем определить заряд электрона.
5)Разработать описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».
Проблема, стоящая передо мной, заключалась в следующем: Выяснить, можно ли на экспериментальной установке из доступных приборов определить заряд электрона.
Объект изучения: Закон Фарадея и процесс электролиза. Предмет изучения: Заряд электрона. Продукт проекта: Лабораторная работа по теме: «Определение заряда электрона»
Явление электролиза было открыто в начале 19 века. Законы электролиза сформулированы Майклом Фарадеем в 1833 году. С тех пор были обнаружены с помощью электролиза такие элементы как галлий, фтор. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность металла тонким слоем другого металла для защиты от коррозии. При помощи электролиза осуществляют очистку металла от примесей. С помощью электролиза получают электронные платы для различных электронных изделий. Я изучил явление электролиза и на его основе создал установку по определению заряда электрона для лабораторного практикума по физике в старших классах.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Электрический ток в жидкостях
Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока. В растворах и расплавах солей происходит распад молекул соли на ионы под действием молекул воды. Молекулу воды можно представить диполем. В той части молекулы, где находится атом кислорода, скапливается отрицательный заряд, так как атомы водорода отдают валентные электроны кислороду. А в той части молекулы воды, где находятся атомы водорода, скапливается положительный заряд. (Рис.1)
Рис.1.
Диполи воды своим положительным краем подходят к отрицательному иону кислотного остатка, а отрицательным краем к положительному иону металла соли. В результате теплового движения диполи воды растаскивают молекулы соли на катионы металла и анионы кислотного остатка. Таким образом, в растворе соли всегда имеются её положительные и отрицательные ионы. (Рис.2)
Рис. 2.
В моем случае происходит диссоциация молекулы сульфата меди на анионы сульфатного остатка SO4 и катионы меди Cu.
Наряду с процессом диссоциации молекул в растворах электролитов происходит и обратный процесс, объединение разных ионов в одну молекулу при их сближении, который называется рекомбинацией. При создании в электролите внешнего электрического поля путем опускания в раствор медного купороса CuSO4 разноименно заряженных электродов, возникает направленное движение ионов. Положительные ионы меди движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы кислотного остатка к положительному электроду. (Рис.3)
Рис.3.
Д остигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами, находящимися на катоде. Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.
Таким образом, прохождение тока через раствор соли сопровождается явлением электролиза, то есть выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор электрического тока. Явление электролиза было открыто в 1800г. Английскими учеными: У. Никольсоном и А. Карлейлем.
Законы Фарадея
Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.
Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени t. Эта масса равна массе всех ионов, осевших на электроде за это время:
где mi-масса одного иона.
Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду qi каждого иона:
Из этой формулы получаем
Тогда масса выделившегося на электроде вещества
Коэффициент пропорциональности , учитывая, что и , где n- валентность вещества. Из первого закона Фарадея получаем второй
Определение заряда электрона
Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:
Учитывая, что молярная масса меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2 необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди .
Электрическая цепь установки для определения заряда электрона должна содержать амперметр, для измерения силы тока, электроды, опущенные в раствор медного купороса, ключ и источник постоянного тока. Все элементы цепи должны быть соединены последовательно. Так же необходимы весы для измерения массы меди и часы для измерения времени протекания тока через раствор медного купороса. (Рис. 4)
(Рис. 4.)
Экспериментальная часть
В первой попытке создания установки источником тока служил гальванический элемент « Крона 9V», в качестве электродов были выбраны два гвоздя. (Приложение 1) После многочисленных попыток, я понял, что оба электрода темнеют, и на них не остается медь, следовательно, в качестве электродов нужно было использовать другой металл. (Приложение 2) Я решил изменить опыт. Заменил электроды медными пластинками, источник тока оставил «Крону 9V», убрал амперметр и добавил в цепь реостат и вольтметр для определения силы тока. (Приложение 3). В результате опыта я заметил, что один электрод стал оранжевым, что свидетельствовало о том, что на нем выделилась медь, а другой остался без изменений. (Приложение 4) Опыт получился, но т. к. я использовал весы с точностью 0.1г, то не смог обнаружить увеличение массы пластины из-за выделения на ней меди. Я несколько раз повторил опыт, но разницы в массах электрода так и не заметил. Перед постановкой следующего эксперимента сначала изучил он-лайн модель установки, представленной в интернете. (Определение заряда электрона и числа Фарадея.4.) (Приложение 5) Она состояла из того же оборудования, что и моя принципиальная схема, но в качестве источника питания использовался лабораторный выпрямитель, который давал силу тока в 2А. Поэтому следующий эксперимент был поставлен с лабораторным выпрямителем. При силе тока в 2А и времени протекания 600с изменение массы электрода составило 0,4 г (Приложение 6) . По второму закону Фарадея я рассчитал заряд электрона. (Приложение 7) Выполнив измерения и вычисления, получил данные, представленные в приложении 8. Я провел эксперимент три раза и по результатам трех опытов вычислил среднее значение заряда электрона. (Приложение 8) . Оно совпало с табличным значением:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выводы
В ходе работы над проектом я работы я получил следующие результаты:
Познакомился с процессом электролиза и законом Фарадея;
Изучил метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрал к нему оборудование;
Выяснил наилучшие условия постановки эксперимента;
Экспериментальным путем определил заряд электрона.
Разработал описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».
Описание работы передано моему руководителю для проведения этой работы на уроках практикума. Хотя эксперимент лабораторной работы кажется простым с первого взгляда, но для получения результата необходимо знать наилучшие условия для его проведения. Я сделал множество попыток, имея в распоряжении справочные материалы, пока не добился результата. Поэтому вызывает особое уважение труд первооткрывателей научных знаний и их мастерство экспериментаторов. Проект будет интересен не только мне, но и ученикам нашей школы и ученикам других школ. Для реализации проекта нужны приборы, которые имеются в кабинете физики любой школы. Для реализации проекта участники должны иметь базовое знание физики и иметь навыки работы с электрическим оборудованием.
Результаты
Продуктом моего проекта является описание работы лабораторного практикума.
Работа лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»
Цель работы: Научиться определять заряд электрона экспериментальным путем.
Теоретическое обоснование: Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.
Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени t. Эта масса равна массе всех ионов, осевших на электроде за это время:
, где mi-масса одного иона.
Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду qi каждого иона:
Тогда масса выделившегося на электроде вещества .
Коэффициент пропорциональности , учитывая, что и , где n- валентность вещества. Из первого закона Фарадея получаем второй
Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:
Учитывая, что молярная масс меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2, необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди.
Оборудование: источник тока, ключ, амперметр, раствор медного купороса, анод и катод (медные пластинки), соединительные провода, емкость, электронные весы, секундомер
Порядок выполнения работы:
Подготовьте таблицу для записи результатов измерений.
|
Время t, с |
Сила тока I,А |
m0нач.,г |
m1конеч.,г |
m=m1-m0, кг |
Взвесьте на весах катод (m0)
Соберите электрическую цепь.
Наполните сосуд насыщенным раствором медного купороса.
Замкните цепь. Наблюдайте на протяжении опыта в течении 10-15 минут за показаниями амперметра. Так как показания амперметра могут изменяться, то регулируйте значение тока ручкой выпрямителя.
Разомкните цепь, извлеките из сосуда с медным купоросом катод и взвесьте его на весах. (m1) Полученный результат запишите в таблицу
Найдите разницу массы катода до начала опыта и после его окончания. (m) Полученный результат запишите в таблицу. Это значение показывает массу налипшей на катод меди.
Подставьте данные значения в формулугде M-молярная масса, I- -сила тока в электролите, NА- постоянная Авогадро, m -изменение массы катода, t- время прохождения тока через электролит.
Рассчитайте значение заряда электрона. Сравните полученное значение заряда с табличным значением. Ваше показание и табличные данные расходятся? Если да, то запишите почему.
Запишите вывод.
ЛИТЕРАТУРА
Касьянов В.А. Физика 10 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2018 год.
Библиотека по физике. http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000058/st033.shtml
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений, Москва, «Просвещение», 2011 год.
Определение заряда электрона и числа Фарадея. Видеоуроки. https://www.youtube.com/watch?v=phzGQXi4Hys
Электролиз. Статья из Википедии. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7
Электролиз. Статья. http://electricity-automation.com/page/elektroliz-bazovoye-predstavleniye
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Электрическая схема опыта №1
Приложение 2
Результат опыта №1
Приложение 3
Электрическая схема опыта №2
Приложение 4
Результат опыта №2
Приложение 5
Вид установки эксперимента из интернета
Приложение 6
Фотография установки для определения заряда электрона
Приложение 7
Фотографии выполнения эксперимента по определению заряда электрона
Приложение 8
Таблица результатов экспериментов
|
№ |
I, A |
t, c |
m0, г |
m1, г |
m,кг |
Q, 10-19Кл |
Q10-19ср |
|
1 |
2 |
600 |
11.3 |
11.7 |
0.0004 |
1.58 |
|
|
2 |
2 |
602 |
11.3 |
11.701 |
0.0004 |
1.58 |
1,583 |
|
3 |
2 |
615 |
11.3 |
11.73 |
0.00043 |
1.59 |