LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Transkrypt

1 LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE Ćwiczenie nr 5 Temat: Wyznaczanie gęstości ciała stałego i cieczy za pomocą wagi elektronicznej z zestawem Hydro. 1. Wprowadzenie Gęstość ciała (nazywana niekiedy masą właściwą) wyraża się stosunkiem jego masy do objętości: m ρ = (1) V m masa, V objętość. Gęstość ciał stałych zależy od temperatury dlatego, że wraz ze zmianą temperatury zmienia się ich objętość. Zasada pomiaru gęstości w tym ćwiczeniu opiera się na prawie Archimedesa z którego wynika, że ciało zanurzone w cieczy traci pozornie na ciężarze tyle ile waży ciecz przez nie wyparta. Gęstością względną ρ w (masą właściwą) nazywamy stosunek gęstości danej substancji do gęstości substancji przyjętej jako wzorzec. Dla ciał stałych podaje się zazwyczaj gęstość względną substancji w określonej temperaturze pod ciśnieniem 1013 hpa (1 atm). Gęstość względna jest liczbą niemianowaną, to znaczy nie posiadającą jednostki. ρ ρ m = (2) ρ 0 V * ρ 0 w = ρ gęstość bezwzględna substancji badanej, ρ 0 gęstość bezwzględna wody o temperaturze 4 C. 1

2 Wzór do wyliczenia gęstości ciała stałego stosowany przez program wagi (według prawa Archimedesa) to: ρ m 1 masa próbki w powietrzu, m 1 = * ρ 0 (3) m1 m2 m 2 masa próbki zanurzonej w cieczy, ρ 0 gęstość cieczy. Wzór do wyliczenia gęstości cieczy stosowany przez program wagi (według prawa Archimedesa) to: m1 m2 ρ = + ρ V m 1 masa nurnika w powietrzu, m 2 masa nurnika zanurzonego w cieczy, V objętość nurnika, ρ p gęstość powietrz (< 0,001 g/cm 3 ). p (4) Istnieje wiele czynników mających wpływ na wyniki pomiaru gęstości. Są one związane z: dokładnością pomiaru masy Maksymalny błąd pomiaru gęstości wynikający z błędu pomiaru masy dla próbki o objętości 1 cm 3 wynika z dopuszczalnego błędu obiegowego wagi ±0,010 g. Przy zastosowaniu próbki o większej objętości błąd proporcjonalnie maleje. Stosowanie próbki o objętości większej niż 5 cm 3 w praktyce ogranicza błąd do około 0,002 g/cm 3. wyporem powietrza Błąd związany z wyporem powietrza ma wartość mniejszą niż 0,0001 g/cm 3. temperaturą cieczy podczas pomiaru gęstości ciał stałych gęstość cieczy, użytej do zanurzania, ma istotny wpływ na wynik pomiaru. Z tego względu niezbędne jest zmierzenie temperatury cieczy. Dla wody destylowanej program wagi automatycznie wprowadza niezbędną poprawkę na podstawie wpisanej temperatury. W przypadku użycia innej cieczy należy korzystając z tabeli lub wzorów wpisać 2

3 wartość gęstości cieczy odpowiadającą jej temperaturze. Dla wody destylowanej gęstość zmienia się o około 0,0002 g/cm 3 / C. objętością nurnika Tolerancja podanej objętości nurnika wynosi ±0,005 cm 3. zmianą poziomu cieczy w zlewce po zanurzeniu badanego ciała stałego Podniesienie się poziomu cieczy powoduje, że dłuższy odcinek zawieszenia tacki dolnej jest zanurzony, a zatem zwiększa się siła wyporu działająca na zawieszenie. Przy objętości badanego ciała 5 cm 3 powoduje to błąd wyniku pomiaru gęstości mniejszy niż 0,001 g/cm 3. Zaleca się oby dolna tacka wraz z zawieszeniem była całkowicie zanurzona. napięciem powierzchniowym Napięcie powierzchniowe powoduje oddziaływanie siłowe na zawieszenie dolnej tacki przy pomiarze gęstości ciał stałych oraz na drut, na którym zawieszony jest nurnik, przy pomiarze gęstości cieczy. Wywierana siła powoduje błąd mniejszy niż 0,001 g i może być pominięta. pęcherzykami powietrza Pęcherzyki powietrza przyczepione do powierzchni zanurzonego ciała powodują dodatkową siłę wyporu, która powoduje błąd pomiaru. Wypór pęcherzyka o średnicy 1 mm wynosi 0,5 mg. Ilość powstających pęcherzyków zależy od kształtu i rodzaju ciała zanurzonego. Odtłuszczenie powierzchni pozwala zmniejszyć przylepianie się pęcherzyków. 2. Opis zestawu pomiarowego W tym ćwiczeniu w pracowni fizyki wykorzystujemy wagę elektroniczną AXIS AG 200C wraz z zestawem HYDRO. Waga ta jest przeznaczona do prac laboratoryjnych wymagających dużej dokładności. Posiada ona układ wewnętrznej kalibracji zapewniający kontrolę dokładności wagi podczas jej eksploatacji. Widok wagi wraz z zestawem przedstawia rysunek 1: 3

4 Rysunek 1. Widok wagi AG z zestawem do pomiaru gęstości 1- podstawka pod zlewkę 2- szalka z ramką 3- trzpień szalki ze stożkiem 4- tulejka 5- ramię 6- tacka górna 7- tacka dolna 8- zawieszenie tacki dolnej 9- wieszak tacki 10-tuleja mechanizmu wagi 11-balast 12-nurnik 13-wieszak nurnika 14-zawiesie nurnika 15-zlewka 16-termometr 17-uchwyt termometru 3. Przeprowadzenie pomiarów Pomiar gęstości ciał stałych i cieczy odbywa się w dwóch fazach. Podczas wyznaczania gęstości ciała stałego faza I to pomiar próbki ciała stałego w powietrzu, faza II to pomiar przy zanurzeniu próbki w cieczy. Natomiast podczas wyznaczania gęstości cieczy faza I to pomiar masy nurnika w powietrzu, faza II to pomiar przy zanurzeniu nurnika w badanej cieczy. 4

5 3.1. Wyznaczanie gęstości ciał stałych. - Zawiesić tacki i wystartować wagę klawiszem T. Nacisnąć klawisz Menu i zaznaczyć kursorem Pomiar gęstości i nacisnąć ENTER. - Zaznaczyć kursorem Rodzaj materiału i nacisnąć ENTER. Za pomocą klawiszy nawigacyjnych > i < ustawić stały i nacisnąć ENTER. - Zaznaczyć kursorem Rodzaj cieczy i nacisnąć ENTER. - Za pomocą klawiszy nawigacyjnych > oraz < ustawić woda, jeżeli w zlewce znajduje się woda destylowana. Jeżeli wykorzystywana jest inna ciecz z znanej dokładnie gęstości, ustawić inna. Nacisnąć klawisz ENTER. - Jeżeli używaną cieczą jest woda destylowana, należy wpisać jej temperaturę z dokładnością do 0,5 C. Pozwala to na automatyczne wyznaczenie gęstości cieczy, która silnie zależy od temperatury. Jeżeli używana jest inna ciecz, należy wpisać dokładną wartość jej gęstości dla jej aktualnej temperatury. Zakończyć naciskając ENTER. - Zaznaczyć kursorem opcję Aktywacja i nacisnąć ENTER. - Nacisnąć klawisz T. Nałożyć badane ciało stałe na górną tackę (pomiar w powietrzu) i nacisnąć ENTER. - Nacisnąć klawisz T. Nałożyć badane ciało stałe na dolną tackę (pomiar w cieczy) i nacisnąć ENTER. - Odczytać wynik pomiaru gęstości. Gęstość skompensowana to wartość wyliczona po uwzględnieniu gęstości powietrza. W celu przejścia do następnego pomiaru nacisnąć T. Aby zakończyć pracę z funkcją pomiaru gęstości, skorzystać z opcji Dezaktywacja Wyznaczanie gęstości cieczy. - Wystartować wagę klawiszem T. Nacisnąć klawisz Menu, zaznaczyć kursorem Pomiar gęstości i nacisnąć ENTER. - Zaznaczyć kursorem Rodzaj materiału i nacisnąć ENTER. - Za pomocą klawiszy nawigacyjnych > i < ustawić ciecz i nacisnąć ENTER. - Zaznaczyć kursorem Objętość nurnika i nacisnąć ENTER. - Wpisać wartość objętości nurnika i nacisnąć ENTER. Objętość nurnika jest podana na jego wieszaku. - Zaznaczyć kursorem opcję Aktywacja i nacisnąć ENTER. - Wystartować wagę naciskając klawisz T. 5

6 - Zawiesić nurnik bez zanurzania go w zlewce z badaną cieczą (pomiar w powietrzu) i nacisnąć ENTER. - Zawiesić nurnik zanurzając go w zlewce z badaną cieczą (pomiar w cieczy) i nacisnąć ENTER. - Odczytać wynik pomiaru gęstości (Gęstość cieczy). Wyliczana jest także gęstość z kompensacją wpływu gęstości powietrza (Gęstość z kompens.). W celu przejścia do następnego pomiaru nacisnąć ENTER. Aby zakończyć pracę z funkcją pomiaru gęstości skorzystać z opcji Dezaktywacja. UWAGA: Wartości wyznaczone porównać z tablicowymi. 6