Sprawdzanie prawa Joule'a

Transkrypt

1 Sprawdzanie prawa Joule'a 1. Po co to robimy? czyli cel ćwiczenia Prawo Joule'a pozwala nam wyznaczyć ilość ciepła wydzielonego podczas przepływu prądu przez przewodnik. Wydzielone ciepło w jednostce czasu jest proporcjonalne do iloczynu oporu przewodnika i kwadratu natężenia prądu, który przez niego przepływa. Stąd możliwe jest doświadczalne sprawdzenie prawa Joule'a poprzez pomiar ilości wydzielanego ciepła dla: dla różnych wartości natężenia prądu przez przewodnik o ustalonym oporze; dla różnych wartości oporu przewodnika, przez który płynie prąd o ustalonym natężeniu. 2. Dlaczego tak się dzieje? czyli słów kilka o teorii Jeśli między końcami przewodnika istnieje napięcie U wywołujące przepływ prądu elektrycznego o natężeniu I, to w czasie t zostanie wydzielona w postaci ciepła energia W równa iloczynowi ładunku q i wartości napięcia U (W=qU). Pamiętając definicję natężenia prądu elektrycznego (I=q/t), możemy wyrazić q za pomocą I otrzymując: W=UIt. Zgodnie z prawem Ohma mówiącym o tym, że napięcie jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu, a współczynnikiem proporcjonalności jest opór (U=IR), możemy zapisać: W/t=I 2 R

2 Równanie to stanowi treść prawa Joule'a, które mówi, że ilość ciepła wytwarzana w jednostce czasu w przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny jest proporcjonalna do iloczynu kwadratu natężenia prądu i oporu przewodnika. 3. Jak to mierzymy? czyli układ pomiarowy i wykonanie ćwiczenia Przewodnik zbudowany z dwóch szeregowo połączonych spiral (w pierwszej części ćwiczenia) lub z innej konfiguracji spiral (w drugiej części ćwiczenia) umieszczamy w kalorymetrze wypełnionym wodą destylowaną. Przewodnik podłączamy do zasilacza prądu stałego o regulowanej wartości napięcia, który jest jednocześnie miernikiem natężenia i napięcia. Czas przepływu prądu mierzymy stoperem. Temperaturę mierzymy termometrem, a masę wody w kalorymetrze wyznaczamy używając wagi cyfrowej.

3 4. Ile nam wyszło? czyli pomiary i analiza wyników Pomiary wstępne: ważymy puste wewnętrzne naczynie kalorymetru m k =... wlewamy do niego wodę destylowaną i ważymy kalorymetr z wodą m kw =... obliczamy masę wody w kalorymetrze m w = m kw m k =... Musimy jeszcze wspomnieć o dwóch zasadach kalorymetrii, które pomogą nam wyznaczyć ilość ciepła wydzieloną na przewodniku: I zasada kalorymetrii: ilość ciepła oddanego przez ciało jest równa ilości ciepła pobranego przez ciała otaczające czyli ilość ciepła oddanego przez przewodnik jest równa ilości ciepła pobranego przez wodę w kalorymetrze II zasada kalorymetrii: ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o masie m od temperatury T p do temperatury T k wyraża się wzorem: Q=cm(T k T p ) gdzie c [J/(kg K)] jest ciepłem właściwym, które mówi nam o ilości ciepła potrzebnej do ogrzania 1 kg ciała o jeden K. W naszym ćwiczeniu na nasz układ składają się: kalorymetr, woda i spirale, więc wzór będzie wyglądał następująco: Q=(c k m k + c w m w + c s m s )(T k T p )

4 gdzie: c k,m k masa i ciepło właściwe kalorymetru, c k = c Al = J/(kg K) c w,m w masa i ciepło właściwe wody, c w = 4180 J/(kg K) c s,m s masa i ciepło właściwe spirali, m s = 35 g, c s = c mosiądz = 400 J/(kg K) Część pierwsza czyli pomiar ilości wydzielanego ciepła w zależności od natężenia prądu płynącego przez przewodnik umieszczamy wewnętrzne naczynie w kalorymetrze i przykrywamy je pokrywą z zamocowanymi spiralami (połączonymi szeregowo) i termometrem podłączamy spirale do zasilacza i ustawiamy na nim napięcie mierzymy temperaturę początkową wody w kalorymetrze (T p ) zamykamy obwód elektryczny i jednocześnie uruchamiamy pomiar czasu za pomocą stopera (t) na zasilaczu odczytujemy wartości natężenia prądu płynącego w obwodzie (I) oraz spadku napięcia na spiralach (U) przerywamy przepływ prądu i jednocześnie zatrzymujemy pomiar czasu w chwili gdy temperatura wody wzrośnie o co najmniej 2 o C i nie więcej niż 5 o C; mierzymy temperaturę końcową (T k ), jaka ustali się po wymieszaniu pomiar wykonujemy dla pięciu różnych wartości napięcia zapisanych w tabeli wyniki umieszczamy w tabeli poniżej: t[s] U[V] I[A] T p [ o C] T k [ o C] R[ ] Q[J] Q/t[J/s] W/t [J/s] Czy wartości w ósmej i dziewiątej kolumnie są podobne? Odp.:...

5 Otrzymane wyniki można przedstawić w formie wykresu zależności ilości wydzielanego ciepła (Q/t) od natężenia prądu płynącego przez przewodnik (I). Opór przewodnika traktujemy jako wielkość stałą. Jaką funkcję należy dopasować, żeby dobrze opisywała dane? Odp.:... Część druga czyli pomiar ilości ciepła w zależności od oporu przewodnika przy ustalonej wartości natężenia prądu umieszczamy wewnętrzne naczynie w kalorymetrze i przykrywamy je pokrywą z zamocowanymi spiralami i termometrem ustawiamy na zasilaczu napięcie 20 V gałką regulacji zasilacza prądu ograniczamy natężenie prądu płynącego w obwodzie do 2.5 A mierzymy temperaturę początkową wody w kalorymetrze (T p ) zamykamy obwód elektryczny i jednocześnie uruchamiamy pomiar czasu (t)

6 mierzymy natężenie prądu płynącego w obwodzie (I) oraz spadek napięcia na spiralach (U) przerywamy przepływ prądu i jednocześnie zatrzymujemy pomiar czasu w chwili gdy temperatura wody wzrośnie o co najmniej 2 i nie więcej niż 5 o C; mierzymy temperaturę (T k ), jaka ustali sie po wymieszaniu podłączamy spirale do zasilacza na trzy sposoby: szeregowo, równolegle oraz tak, żeby prąd płynął tylko przez jedną spiralę wyniki umieszczamy w tabeli: t[s] U[V] I[A] T p [ o C] T k [ o C] R[ ] Q[J] Q/t[J/s] W/t [J/s] Podobnie jak w części pierwszej dane przedstawiamy w postaci wykresu. Tym razem badamy zależność ilości wydzielanego ciepła na przewodniku (Q/t) od jego oporu (R) przy ustalonym natężeniu prądu elektrycznego. Jaka funkcja najlepiej opisuje punkty na wykresie? Odp.:...