Научная работа по физике На тему: Опытная проверка газового закона

Калининград 2008

Содержание:

1. 
   Введение – стр. 1
   

2. 
   Биография Гей-Люссака – стр. 2-3
   

3. 
   Описание закона – стр. 4
   

4. 
   Опыт – стр. 5-6
   

5. 
   Рецензия на научную работу – стр. 7
   

6. 
   Заключение – стр. 8
   

7. 
   Список используемой литературы – стр. 9
   

Основой изучения физики являются законы, которые помимо своего теоретического описания требуют еще и практического (экспериментального) подтверждения. Нам известно на настоящий момент три основных способа такого практического подтверждения: натурное, математическое моделирование и компьютерный практикум.

В древности физические законы подтверждались только экспериментальными исследованиями. Первоначально это были натурные исследования, а именно - практические подтверждения законов физики с помощью опытов. В дальнейшем, по мере развития математики, эти исследования дополнялись математическими подтверждениями законов физики, а именно - формулами и графиками. По мере дальнейшего развития человечества, когда на помощь людям смогли прийти такие передовые технологии, как компьютерные, изучение законов физики и их подтверждение еще более облегчилось для человека, так как ему на помощь пришла такая умная машина как компьютер.

Основная цель компьютерного практикума состоит в том, чтобы способствовать более глубокому изучению физики, формированию практических навыков работы с имитационным экспериментом, измерения физических величин и вычисления по ним других параметров физической системы.

Именно этим (компьютерным) практикумом мы и воспользовались в процессе написания данной научной работы. В ходе создания научной работы и, собственно, понимания закона Гей-Люссака, нам существенно помогла программа, созданная выпускником нашего лицея, с опытной проверкой закона. Если говорить более конкретно, благодаря этой программе мы смогли делать лабораторные работы, которые подтверждают не только теоретически, но и практически закон Гей-Люссака.

Биографическая справка

ГЕЙ-ЛЮССАК (Gay-Lussac), Жозеф Луи

6 декабря 1778 г. – 9 мая 1850 г.

В 1797 – 1800 гг. Гей-Люссак учился в Политехнической школе в Париже. После окончания школы Гей-Люссак был ассистентом Бертолле.

В 1809 г. он почти одновременно стал профессором химии в Политехнической школе и профессором физики в Сорбонне, а с 1832 г. – ещё и профессором химии Парижского ботанического сада.

Научные работы Гей-Люссака относятся к самым разным областям химии. В 1802 г. независимо от Джона Дальтона Гей-Люссак открыл один из газовых законов – закон теплового расширения газов, позже названный его именем.

В 1804 г. он совершил два полёта на воздушном шаре (поднявшись на высоту 4 и 7 км), во время которых выполнил ряд научных исследований, в частности измерил температуру и влажность воздуха.

В 1805 г. совместно с немецким естествоиспытателем Александром фон Гумбольдтом установил состав воды, показав, что соотношение водорода и кислорода в её молекуле равно 2:1.

В 1808 г. Гей-Люссак открыл закон объёмных отношений, который представил на заседании Философско-математического общества: «При взаимодействии газов их объёмы и объёмы газообразных продуктов соотносятся как простые числа».

С 1809 г. он провёл серию опытов с хлором, а так же установил элементарный характер калия и натрия, а затем фосфора и серы. В 1811 г. Гей-Люссак совместно с французским химиком-аналитиком Луи Жаком Тенаром значительно усовершенствовал метод элементного анализа органических веществ.

В 1811 г. Гей-Люссак начал обстоятельное исследование синильной кислоты, установил её состав и провёл аналогию между нею, галогеноводородными кислотами и сероводородом. Полученные результаты привели его к концепции водородных кислот, опровергающей чисто кислородную теорию Антуана Лорана Лавуазье. В 1811-1813 гг. Гей-Люссак установил аналогию между хлором и йодом, получил йодистоводородную и йодную кислоты, монохлорид йода. В 1815 г. он получил и изучил «циан» (точнее говоря, дициан), что послужило одной из предпосылок формирования теории сложных радикалов.

Гей-Люссак работал во многих государственных комиссиях и составлял по поручению правительства доклады с рекомендациями по внедрению научных достижений в промышленность. Прикладное значение имели и многие его исследования. Так, его метод определения содержания этилового спирта был положен в основу практических способов определения крепости алкогольных напитков. Гей-Люссак разработал в 1828 г. методику титриметрического определения кислот и щелочей, а 1830 г. – объёмный способ определения серебра в сплавах, применяющийся и в настоящее время.

Созданная им конструкция башни для улавливания оксидов азота в дальнейшем нашла применение в производстве серной кислоты. В 1825 г. Гей-Люссак совместно с Мишелем Эженом Шеврёлем получили патент на производство стеариновых свечей.

В 1806 г. Гей-Люссак был избран членом Французской академии наук и её президентом в 1822 и 1834 гг.; состоял членом Аркёйского научного общества (Societe d'Archueil), основанного Бертолле. В 1839 г. он получил титул пэра Франции.

Ж.Л. Гей-Люссак в начале 19 века открыл законы, описывающие некоторые свойства газов.

Закон теплового расширения газов утверждает, что изменение объёма данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры

  (v₂ — v₁)/v₁ = α∆t  или  v₂ = v₁ (1 + α∆t),

 где v₁ — объём газа при исходной температуре t₁;

v₂ — при конечной t₂;

∆t = t₂ — t₁; α — коэффициент теплового расширения газов при постоянном давлении.

Величина α для всех газов при нормальных условиях ( условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура,тающее напряжение и др.) имеют нормальные (установленные) значения или находятся в пределах области допускаемых отклонений от этих значений. Н. у. указываются на шкалах средств измерений, в стандартах на них, технических описаниях и инструкциях к использованию. Пределы допускаемых основных погрешностей средств измерений устанавливаются для Н. у. Для электроизмерительных приборов за Н. у. часто принимают следующие: температура — в пределах 20 ± 2 °С, питающее напряжение — указанное на шкале ± 2%, частота — в пределах 49 — 51 гц и т.д. 2) Физические условия, определяемые давлением р = 101325 н/м² = 760 мм рт. ст. (нормальная атмосфера) и температурой 273,15 К (0 °С), при которых мольный объём идеального газа V_o= 2,24136 · 10^-2 м³/моль. Нормальное ускорение свободного падения принимают равным g_n = 9,80665 м/сек².)приблизительно одинакова и при измерении температуры газа в °С α = 1/273,15 (или 0,00367). Сочетая этот закон с законом Бойля—Мариотта, Э. Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа, связывающее р, v и Т (см. Клапейрона уравнение).

Берцелиуса, который дал более точные определения атомных масс, с большим успехом применил закон Гей-Люссака для определения состава и количественных характеристик многих элементов и соединений.

Для газа данной массы отношение объёма к температуре постоянно, если давление газа не меняется. V/T=const при p=const. Следовательно, объём газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении.

Чтобы проверить закон Гей-Люссака, необходимо измерить температуру и объём газа в двух состояниях при постоянном давлении и проверить верность равенства V₁/V₂=T₁/T₂ . Это можно осуществить, используя воздух при атмосферном давлении.

Стеклянная трубка открытым концом вверх помещается на 3-5 минут в цилиндрический сосуд с горячей водой . В этом случае объём воздуха V₁ равен объёму стеклянной трубки, а температура – температуре горячей воды T₁ . Это первое состояние. Чтобы при переходе воздуха в следующее состояние его количество не изменилось, открытый конец стеклянной трубки, находящейся в горячей воде, замазывают пластилином. После этого трубку вынимают из сосуда с горячей водой и замазанный конец быстро опускают в стакан с водой комнатной температуры, а затем прямо под водой снимают пластилин. По мере охлаждения воздуха в трубке вода в ней будет подниматься. После прекращения подъёма воды в трубке объём воздуха в ней станет равным V₂1 , а давление p=p_атм – pgh. Чтобы давление воздуха в трубке вновь стало равным атмосферному, необходимо увеличивать глубину погружения трубки в стакан до тех пор, пока уровни воды в трубке и в стакане не выровняются. Это будет второе состояние воздуха в трубке при температуре T₂ окружающего воздуха. Отношение объёмов воздуха в трубке в первом и втором состояниях можно заменить отношением высот воздушных столбов в трубке в этих состояниях, если сечение трубки постоянно по всей длине(V₁/V₂=Sl₁/Sl₂=l₁/l_2. ). Поэтому в работе следует сравнить отношения l₁/l₂ и T₁/T₂ .

Вывод:

Исходя из проведённых выше опытов становится ясно, что закон Гей-Люссака выраженный равенством в данном случае l₁/l₂=T₁/T₂ является верным.

Работу апробировали. Программа выполнена таким образом, что все действия учащихся соответствуют выполнению этой лабораторной работы в реальных условиях. Работа соответствует описанию выполнения этой лабораторной работы в учебники физики для 10 класса авторов Мякишева Г.В. и Буховцева Б.Б.

1. Марио Льоцци. История физики. Москва, Мир, 1970.

2. М. Лауэ. История физики. Москва., Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1956.

3. Учебник «Физика 10 класс» Мякишев Г. Я. Москва. «Просвещение» 2004.