Logo
Logo

Закон Видемана-Франца

Разбалловка

A1  1.00 Используя цифровой индикатор как секундомер, измерьте времена падения магнита через полые трубы, изготовленные из алюминия, меди, латуни. Запишите измерения в таблицу A1.

A1. 2 Общее число измерений $N > 21$ 0.70
A1. 3 Общее число измерений $15 < N \leq 21$ 0.50
A1. 4 Общее число измерений $N \leq 15$ 0.20
A1. 5 Посчитано время падения для каждой трубки
$$T_{Copper} \in [16.20; 19.80]~с \\
T_{Aluminium} \in [8.40; 10.20]~с \\
T_{Brass} \in [5.40; 6.60]~с$$
3 × 0.10
A2  0.50 Используя выражения выше, найдите удельные проводимости ${\sigma _\mathrm{Aluminum}},{\sigma _\mathrm{Copper}},{\sigma _\mathrm{Brass}}$ каждого материала.

A2. 1 Расчётная формула 0.05
A2. 2 Посчитано значение $\sigma$ для каждого металла
$$\sigma_{Copper} \in [5.10; 6.90] \cdot 10^7 ~\frac{1}{Ом \cdot м} \\
\sigma_{Aluminium} \in [2.55; 3.45] \cdot 10^7 ~\frac{1}{Ом \cdot м} \\
\sigma_{Brass} \in [1.36; 1.84] \cdot 10^7 ~\frac{1}{Ом \cdot м}$$
3 × 0.15
B1  0.10 Укажите начальную температуру стержня \#1, когда он лежит на столе.

B1. 1 Указана начальная температура 0.10
B2  0.50 Нарисуйте схему электрической цепи, которая позволит подключить нагреватель к источнику и измерять мощность. Ваша цепь должна содержать следующие элементы: источник питания 9 В, нагреватель, вольтметр, амперметр, соединительные провода. Вы можете использовать соединение и разъединение проводов в качестве ключа.

B2. 1 Верная схема 0.50
B2. 2 None
B3  0.10 Проведите измерения и вычислите подводимую к нагревателю мощность $P$.

B3. 1 Расчётная формула
$$P = U I$$
0.05
B3. 2 Рассчитано значение мощности 0.05
B4  0.50 Укажите в таблицу температуры всех восьми термометров во времена (примерно): 15 мин, 17.5 мин, 20 мин.

B4. 1 В таблице присутствуют три серии измерений (балл ставится, если в каждой серии указаны все 8 температур) 3 × 0.12
B4. 2 Температуры указаны с точностью до сотых 0.08
B4. 3 Времена, выбранные для измерений, не более чем на минуту отличаются от требуемых (15, 17.5, 20 мин) 0.06
B5  1.00 На одной миллиметровке постройте три графика зависимости температуры от координаты (для каждого времени). Эти графики будут так же использованы в части D.

B5. 1 Масштаб, оцифровка осей 2 × 0.11
B5. 2 Нанесены все точки для каждой из трёх серий 3 × 0.15
B5. 3 Проведены сглаживающие прямые 3 × 0.11
B6  0.50 Используя график для данных для времени 17.5 мин определите коэффициент теплопроводности меди ${\kappa _0}$. Не учитывайте любые потери тепла в этой части. Оцените скорость изменения температуры $\frac{{{\Delta T}}}{{{\Delta t}}}$ стержня в момент времени 17.5 мин.

B6. 1 Получено выражение для $\kappa_0$ 0.10
B6. 2 $$\kappa_0 \in [382; 468]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.10
B6. 3 $$\kappa_0 \in [404; 446]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.10
B6. 4 $$\Delta T/\Delta t \in [1.10; 1.70]~мК/с$$ 0.10
B6. 5 $$\Delta T/\Delta t \in [1.25; 1.55]~мК/с$$ 0.10
B7  0.30 Ожидаете ли вы более высокое / более низкое / такое же значение для ${\kappa _0}$ по сравнению с реальным значением ${\kappa}$

B7. 1 Указан ответ $\kappa < \kappa_0$ с корректным обоснованием 0.30
C1  1.00 Проведите цикл охлаждения-нагревания-охлаждения и занесите данные в таблицу C1 для нахождения средней температуры стержня.

C1. 1 На каждом шаге цикла не менее 5 измерений 0.20
C1. 2 Время нагревания
$$1~мин < t_h < 3~мин$$
0.20
C1. 3 Время охлаждения
$$t_c > 200~с$$
0.20
C1. 4 Усреднение температуры по показаниям хотя бы двух датчиков 0.20
C1. 5 Температура стержня в середине нагревания отличается от средней в пункте B4 не более чем на 4 К 0.10
C1. 6 Температура стержня в середине нагревания отличается от средней в пункте B4 не более чем на 2.5 К 0.10
C2  1.00 Постройте на миллиметровке график зависимости средней температуры от времени.

C2. 1 Масштаб, оцифровка осей 2 × 0.11
C2. 2 Нанесены точки всех трёх этапов 3 × 0.15
C2. 3 Проведены аппроксимирующие прямые для всех трёх этапов 3 × 0.11
C3  1.00 Используя график, вычислите удельную теплоёмкость ${c_p}$ и мощность тепловых потерь $P_\text{loss}$ для средней температуры для данных части B. Опишите ваш метод используя схемы и формулы.

C3. 1 Выражение для $P_{loss}$
$$P_{loss} = c_p m \frac{dT_{av}}{dt} \bigg |_{Cooling}$$
0.20
C3. 2 $$P_{in} = c_p m \left(\frac{dT_{av}}{dt} \bigg |_{Heating} - \frac{dT_{av}}{dt} \bigg |_{Cooling}\right)$$ 0.40
C3. 3 $$c_p \in [310; 465]~\frac{Дж}{кг \cdot К}$$ 0.10
C3. 4 $$c_p \in [350; 425]~\frac{Дж}{кг \cdot К}$$ 0.10
C3. 5 $$P_{loss} \in [0.19; 0.44]~Вт$$ 0.10
C3. 6 $$P_{loss} \in [0.25; 0.38]~Вт$$ 0.10
C4  1.00 Используя указанные выше механизмы, запишите выражение, которое позволяет получить более точное значение коэффициента теплопроводности из измерений части B. Используйте ${\kappa _0},P,{c_p},m,P_\text{loss},\frac{{\Delta T}}{{\Delta t}}$ из части B, C для исправленного значения коэффициента теплопроводности меди ${\kappa _{\mathrm{Copper}}}$. Вычислите это значение.

C4. 1 Учёт $c_p m \frac{\Delta T}{\Delta t}$ и $P_{loss}$ 0.20
C4. 2 Обосновано усреднение мощности по длине стержня 0.20
C4. 3 Получено выражение для $\kappa$
$$\kappa = \frac{\kappa_0}{P} \left(P - \frac{1}{2} \left(c_p m \frac{\Delta T}{\Delta t} + P_{loss} \right) \right)$$
0.30
C4. 4 $$\kappa \in [356; 436]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.20
C4. 5 $$\kappa \in [376; 416]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.10
D1  0.10 Укажите начальную температуру стержня, когда он находится ещё на столе.

D1. 1 Указана начальная температура 0.10
D2  0.20 Запишите значение температуры для всех восьми датчиков температуры стержня 2 и укажите значение градиента температуры $\Delta T/\Delta x$ для каждой секции стержня.

D2. 1 Время установления не менее 15 минут 0.10
D2. 2 Расчёт $\Delta T/\Delta x$ для каждой секции стержня 0.10
D3  0.70 Выразите ${\kappa _{\mathrm{Brass}}}$ и ${\kappa _{\mathrm{Aluminum}}}$ используя предыдущие измерения и получите числовые значения.

D3. 1 Выражение для $\kappa_{\alpha}$
$$\kappa_{\alpha} = \kappa_{Copper}\frac{Slope}{(\Delta T/\Delta x)_{\alpha}}$$
0.10
D3. 2 Коэффициенты $\Delta T/\Delta x$ для меди выбраны в соотношениях $1:2$ и $2:1$ для подстановки в $Slope$ 0.30
D3. 3 Выбран $\Delta T/\Delta x$ соседней медной секции, либо $\Delta T/\Delta x$ усреднено по двум медным секциям 0.10
D3. 4 $$\kappa_{Brass} \in [103; 126]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.15
D3. 5 $$\kappa_{Aluminium} \in [215; 263]~\frac{Вт}{м \cdot К}$$ 0.15
E1  0.50 Укажите полученные вами значения коэффициента теплопроводности и удельной проводимости ( $\kappa ,\sigma $) в таблицу E1. Вычислите значение $L$ для каждого материала и укажите в той же таблице E1. Считайте, коэффициент теплопроводности не зависит от температуры.

E1. 1 Указана абсолютная температура, при которой производится расчёт числа Лоренца 0.10
E1. 2 $$L_{Copper} \in [2.12; 2.39] \cdot 10^{-8}~\frac{Вт \cdot Ом}{К^2}$$ 0.20
E1. 3 $$L_{Brass} \in [2.13; 2.71] \cdot 10^{-8}~\frac{Вт \cdot Ом}{К^2}$$ 0.10
E1. 4 $$L_{Aluminium} \in [2.00; 2.54] \cdot 10^{-8}~\frac{Вт \cdot Ом}{К^2}$$ 0.10