Logo
Logo

Тепловое расширение воды

A1  ?? Укажите размерность коэффициента теплового расширения $\beta$.

Ответ: Размерность коэффициента $[\beta]=K^{-1}$
A2  ?? Покажите, что если объём постоянной массы жидкости изменяется на малую величину $\Delta V$, то её плотность изменяется на величину $\Delta \rho$, удовлетворяющую уравнению
$$\frac{\Delta \rho}{\rho_{0}} \approx-\frac{\Delta V}{V_{0}} \tag{2}$$

Условие постоянства массы имеет вид
$$\left(\rho_{0}+\Delta \rho\right)\left(V_{0}+\Delta V\right)=\rho_{0} V_{0} \tag{1}$$Раскрывая скобки и пренебрегая малой величиной $\Delta \rho \Delta V$, получаем требуемое соотношение:


Ответ: $$\frac{\Delta \rho}{\rho_{0}} \approx-\frac{\Delta V}{V_{0}} \tag{2}$$
A3  ?? Пусть ареометр плавает в жидкости, плотность которой равна $\rho_{0}$, при длине выступающей над водой части палочки равной $h_{0}$. Пусть плотность жидкости изменилась на величину $\Delta \rho$. Покажите, что изменение длины выступающей части $\Delta h$ может быть описано формулой
$$\Delta h=K \frac{\Delta \rho}{\rho_{0}} . \tag{3}$$

Так масса ареометра постоянна, то постоянна и сила Архимеда, т.е.
$$\left(\rho_{0}+\Delta \rho\right)\left(V_{0}+\Delta V\right)=\rho_{0} V_{0} \tag{3}$$где $V_{0}$ – объем вытесненной воды, т.е. объем ареометра. $\Delta V=-s\Delta h=-\dfrac{\pi d^{2}}{4} \Delta h$ изменение объема вытесненной воды при всплытии на высоту $\Delta h$. Из условия $(3)$ следует, что$$\frac{\Delta \rho}{\rho_{0}} \approx-\frac{\Delta V}{V_{0}}=\frac{\pi d^{2}}{4 V_{0}} \Delta h \implies$$

Ответ: $$\Delta h=\frac{4 V_{0}}{\pi d^{2}} \frac{\Delta \rho}{\rho_{0}}$$

Что соответствует приведенной в условии формуле.

A4  ?? Получите формулу для коэффициента $K$, рассчитайте его численное значение для вашего ареометра.

Тепловым расширением ареометра (шарика и гайки) пренебрегите.

Из предыдущей формулы следует, что:

Ответ: \[h=\dfrac{4 V_{0}}{\pi d^{2}}=\dfrac{4\left(\dfrac{1}{6} \pi D^{3}+V_{гайки}\right)}{\pi d^{2}} \approx 2.5 \cdot 10^{3}~мм\]
A5  ?? Укажите, как должна изменяться длина выступающей части палочки $h$ при увеличении температуры воды.

Ответ: Так как при нагревании вода расширяется, ее плотность уменьшается, то ареометр должен тонуть, т.е. величина $h$ уменьшается.
B1  ?? Укажите, при какой температуре вы проводили настройку.

Ответ: Температура должна быть примерно равной $20^{\circ} \mathrm{C}$
B2  ?? Укажите, чему оказалась равной длина выступающей части палочки.

Ответ: Примерно $5~см $
B3  ?? Укажите, какой примерно объём воды вы долили внутрь шарика.

Ответ: Примерно $20~мл$
C1  ?? Измерьте зависимость длины $h$ выступающей над поверхностью части палочки ареометра от температуры воды $t^{\circ}$.

Данные измерений в таблице и на графике

Ответ:
$t,{ }^{\circ}\mathrm{C}$2834.337.143.651.5
$h,~мм$14013112210492
C2  ?? Постройте график полученной зависимости.

Ответ:
C3  ?? Полученную зависимость можно считать приблизительно линейной. Проведите на графике линию, соответствующую этой линейной зависимости.

C4  ?? Используя полученные данные, рассчитайте коэффициент теплового расширения воды в исследованном диапазоне температур.

Коэффициент наклона графика $\dfrac{\Delta h}{\Delta t} \approx 2.2~ \dfrac{мм}{К}$.

Коэффициент теплового расширения воды связан с этой величиной соотношением $$\Delta h=K \frac{\Delta \rho}{\rho_{0}} \Rightarrow \beta=\frac{\Delta \rho}{\rho_{0} \Delta t}=\frac{1}{K} \frac{\Delta h}{\Delta t}$$Его численное значение

Ответ: $$\beta=\frac{1}{K} \frac{\Delta h}{\Delta t} \approx \frac{2.2~ {мм}/{К}}{2.5 \cdot 10^{3}~{мм}} \approx 1 \cdot 10^{-4} ~К^{-1} $$