ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Влажность воздуха необходимо уметь определять в разнообразных целях: в целях метрологии, для соблюдения условий хранения зерна, овощей и фруктов, для создания наиболее благоприятных условий в жилых и общественных помещениях, в помещениях для животных и птиц, для соблюдения технологии химических производств т.д.

Атмосферный воздух – это смесь газов и водяного пара. Для смесей соблюдается закон Дальтона: “Давление смеси газов или паров равно сумме парциальных давлений компонент (давлений каждого газа в отдельности)”.

Давление газа пропорционально его содержанию в единице объема. Поэтому, измеряя давление газа, всегда можно найти его концентрацию, и наоборот.

Влажность воздуха оценивается с помощью двух величин – абсолютной и относительной влажности. Абсолютная влажность измеряется количеством пара, находящегося в 1 м³ воздуха. Относительной влажностью воздуха называется отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного водяного пара при той температуре, выраженное в процентах:

. (3.1)

Относительная влажность обычно измеряется в процентах. Наиболее благоприятная для человека относительная влажность воздуха 40¸60%. Охлаждение ненасыщенного пара при постоянном давлении приводит к тому, что пар становится насыщенным. Температура , при которой ненасыщенный пар при данной абсолютной влажности становится насыщенным, называется точкой росы.

По точке росы можно найти давление водяного пара в воздухе (рис. 3.1). Оно равно давлению насыщенного пара при температуре , равной точке росы. По значению давления пара и давления насыщенного водяного пара при данной температуре можно определить относительную влажность воздуха .

Существует несколько методов определения относительной влажности воздуха. В данной работе ее определяют при помощи психрометра, так как этот прибор является наиболее простым в использовании.

Рис. 3.1. График определения влажности

Психрометр состоит из двух термометров (рис. 3.2). Резервуар одного из них остается сухим 1, и он показывает температуру воздуха. Резервуар второго окружен полоской ткани 2, конец которой опущен в воду. Вода испаряется, и, благодаря этому, термометр охлаждается. Чем больше относительная влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение, и тем более высокую температуру показывает термометр, окруженный полоской влажной ткани.

При относительной влажности 100%, вода вообще не будет испаряться и показания обоих термометров будут одинаковы. По разности температур этих термометров с помощью таблицы 3.1 можно определить влажность воздуха.

Рис. 3.2. Психрометр

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Жидкости характерны тем, что их молекулы, расположенные в поверхностном слое ( м), находятся в иных условиях по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Каждая из молекул (см. рис. 4.1), находящихся в глубине жидкости ( ), окружена со всех сторон другими молекулами и испытывают одинаковое притяжение во всех направлениях. Результирующая сила, действующая на молекулу , не равна нулю и направлена вовнутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы, лежащие в поверхностном слое, стремятся уйти вовнутрь жидкости, и поверхность жидкости сокращается при этом до минимума.

Свойство поверхности жидкости сокращаться, можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Если будут созданы условия, при которых внешними силами можно пренебречь по сравнению с силами поверхностного натяжения, то жидкость примет форму, обладающую наименьшей поверхностью при заданном объеме – форму шара.

Рис. 4.1. Схематичное изображение сил,
действующих на молекулы в жидкости

Такие условия создаются при образовании тумана, мелких капель росы, в опытах с жидкостью на космической станции. Наличие внешних сил приводит к изменению формы капель жидкости.

Допустим, что молекула жидкости перемещается из поверхностного слоя внутрь жидкости. В этом случае силы, действующие на молекулу, совершают положительную работу. Наоборот, для перевода молекулы из внутренних областей жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу. Работа сил молекулярного притяжения будет при этом отрицательна.

Следовательно, молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, обладают по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости, дополнительной (избыточной) потенциальной энергией . Очевидно, что эта энергия пропорциональна площади поверхности жидкости .

. (4.1)

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Эта величина имеет два физических смысла.

Во-первых, коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить поверхности жидкости на единицу площади.

.

Во-вторых, если площадь поверхности окружена контуром длины , то силы поверхностного натяжения действуют на каждый отрезок этого контура (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Сила, действующая на единицу длины контура

Тогда коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины этого контура

.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить, рассмотрев образование и отрыв капли, вытекающей из тонкой трубки. Перед отрывом капли сила тяжести, действующая на нее, уравновешивается силой поверхностного натяжения, направленной вверх. Поэтому (рис. 4.3).

Вес капли постепенно увеличивается и в некоторый момент превышает силу поверхностного натяжения пленки, поддерживающей каплю, и капля отрывается.

Силу поверхностного натяжения можно подсчитать, умножив коэффициент поверхностного натяжения жидкости на длину линии отрыва капли (длину окружности шейки капли). Длина контура , по которому отрывается капля, равна длине окружности или , где – диаметр шейки капли.

. (4.2)

Тогда . Откуда:

. (4.3)

Рис. 4.3. Схема отрыва капли жидкости

Экспериментальная проверка
закона ома для цепи переменного тока

При подключении концов цепи из последовательно соединенных резистора, катушки и конденсатора к источнику переменного тока, изменяющегося по гармоническому закону с циклической частотой и амплитудой напряжения , в цепи возникают вынужденные колебания силы тока. Анализ процессов в такой цепи показывает, что частота вынужденных колебаний силы тока должна совпадать с частотой колебаний напряжения, а действующее значение силы тока в цепи связано с действующим значением напряжения выражением закона Ома для последовательной цепи переменного тока:

,

,

где – полное сопротивление цепи, – активное сопротивление цепи, – индуктивность катушки, – электроемкость конденсатора, , Гц.

Активное , емкостное и индуктивное сопротивления в последовательной цепи переменного тока не складываются алгебраически, так как колебания напряжения на всех трех элементах цепи сдвинуты по фазе колебаний друг относительно друга. Для приобретения опыта расчета цепей переменного тока и измерения токов и напряжений в таких цепях можно воспользоваться батареей бумажных конденсаторов с известной электроемкостью, магазином сопротивлений и катушкой с известной индуктивностью и необходимыми электроизмерительными приборами. В качестве катушки индуктивности можно использовать дроссельную катушку.

1. Вычислите полное сопротивление электрической цепи из последовательно соединённых резистора сопротивлением 100 Ом, конденсатора электроёмкостью 1 мкФ и катушки индуктивностью 1 Гн. Рассчитайте действующее значение силы тока в цепи при напряжении В.

2. Соберите электрическую цепь из последовательно соединенных миллиамперметра переменного тока, батареи конденсаторов, катушки и магазина сопротивлений (рис. 5.1). В магазине сопротивлений включите сопротивление 100 Ом.

Рис. 5.1. Схема экспериментальной установки

3. Подключите выводы цепи к источнику переменного тока с напряжением 6 В. Выполните измерения силы тока в цепи и общего напряжения .

4. Результаты измерений и вычислений занесите в отчётную таблицу.

№ п/п
Ом	мкФ	Гн	Ом	В	мА	мА

5. Прежде, чем включать конденсаторы 2 мкФ и 4 мкФ в электрическую цепь, рассчитайте теоретическое значение тока. Поставьте нужный предел измерений на приборе.

Контрольные вопросы

1. Какой ток называется переменным? Что такое синусоидальный ток?

2. Что называется действующим (эффективным) значением переменного тока?

3. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока.

4. Что такое активное сопротивление электрической цепи?

5. Из-за чего возникает индуктивное сопротивление цепи? Как оно определяется?

6. Что такое емкостное сопротивление? Как оно определяется?

7. Объясните наличие переменного тока в цепи с конденсатором.

8. Почему полное сопротивление последовательной цепи переменного тока не равно алгебраической сумме активного, емкостного и индуктивного сопротивлений?

9. Как зависит индуктивное сопротивление от частоты переменного тока?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА

Индукцию однородного магнитного поля можно определить путем измерения магнитного потока , пронизывающего контур площадью поперечного сечения , в плоскости, перпендикулярной вектору индукции :

.

Для измерения магнитного потока , пронизывающего контур, можно воспользоваться явлением электромагнитной индукции: при быстром удалении контура из магнитного поля магнитный поток, пронизывающий его, изменяется от значения до нуля; ЭДС индукции, возникающая при этом в контуре, определяется выражением:

При использовании катушки, содержащей витков, ЭДС индукции в ней в раз больше, чем в контуре:

Если концы катушки замкнуты на гальванометр, то при удалении катушки из магнитного поля постоянного магнита в её цепи протекает индукционный ток .

Разделив обе части написанного выше уравнения на полное сопротивление цепи , получим:

или

откуда

Следовательно, для определения индукции однородного магнитного поля необходимо измерить количество электричества , протекающее в катушке при быстром удалении её (выдергивании) из исследуемой области магнитного поля. Заряд, протекший по цепи, можно определить, зная общее сопротивление цепи, число витков в катушке и площадь контура гальванометра, шкала которого заранее проградуирована в кулонах.

Рис. 6.1. Схема эксперимента

Определение фокусного расстояния и
оптической силы собирающей
и рассеивающей линз

В практических применениях очень большое значение имеет преломление света на сферической границе раздела. Основная деталь оптических приборов – линза – представляет собой обычно стеклянное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями; в частном случае одна из поверхностей линзы может быть плоскостью, которую можно рассматривать, как сферическую поверхность бесконечно большого радиуса.

Рассмотрим линзу, ограниченную двумя сферическими преломляющими поверхностями и (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Тонкая линза

Центр первой преломляющей поверхности лежит в точке , центр второй поверхности – в точке . Ha рис. 7.1 изображена линза, имеющая заметную толщину . В работе мы будем рассматривать очень тонкую линзу, т.е. расстояние очень мало по сравнению с или . В таком случае точки и можно считать практически сливающимися в одной точке . Эта точка называется оптическим центром линзы.

Всякая прямая, проходящая через оптический центр, называется оптической осью линзы. Та из осей, которая проходит через центры обеих преломляющих поверхностей линзы, называется главной оптической осью, остальные – побочными осями.

Луч, идущий по какой-либо из оптических осей, проходя через линзу, практически не меняет своего направления. Действительно, для лучей, идущих вдоль оптической оси, участки обеих поверхностей линзы можно считать параллельными, а толщину линзы мы считаем весьма малой. При прохождении же через плоскопараллельную пластинку, как мы знаем, световой луч претерпевает параллельное смещение, но смещением луча в очень тонкой пластинке можно пренебречь.

Если на линзу падает световой луч не вдоль одной из её оптических осей, а по какому-либо другому направлению, то он, испытав преломление сначала на первой, ограничивающей линзу поверхности, потом на второй, отклонится от первоначального направления.

Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния линзы основан на использовании формулы тонкой линзы:

, (7.1)

где – фокусное расстояние линзы, – расстояние от предмета (нити лампы) до линзы, – расстояние от линзы до изображения.

В качестве предмета используется светящаяся нить электрической лампочки. Действительное изображение нити получают на экране.

В воздухе или в вакууме все лучи, параллельные главной оптической оси вогнутой линзы, после прохождения через линзу отклоняются от оптической оси. Поэтому вогнутые линзы называются рассеивающими линзами.

Продолжения лучей в противоположную сторону сходятся в одной точке на главной оптической оси перед линзой. Эта точка называется главным фокусом рассеивающей линзы. Главный фокус рассеивающей линзы мнимый, т.к. в действительности лучи света в нём не собираются.

Рассеивающая линза образует только мнимое изображение, которое нельзя получить на экране, т.е. нельзя измерить расстояние от линзы до изображения. Фокусное расстояние рассеивающей линзы можно определить, если дополнительно использовать собирающую линзу.

Лучи от источника , прошедшие через рассеивающую линзу, расходятся. Расходящийся световой пучок, упав на собирающую линзу, соберётся на экране (см. рис. 7.2).

Рис. 7.2. Ход лучей через систему собирающей и рассеивающей линз

Пользуясь принципом обратимости световых лучей, продолжим лучи от собирающей линзы через рассеивающую линзу. Они соберутся на расстоянии от рассеивающей линзы. Уберём рассеивающую линзу и поместим источник света в точку , убедившись, что на экране вновь появилось чёткое изображение источника.

Формула тонкой линзы имеет вид:

. (7.2)

Запишем формулу для рассеивающей линзы с учетом правила знаков:

. (7.3)

Отсюда следует:

. (7.4)

Определение длины световой волны
при помощи дифракционной решетки

Плоская прозрачная дифракционная решетка представляет собой систему равноотстоящих прозрачных узких щелей, разделенных непрозрачными полосками. Сумма ширины щели и непрозрачной полосы называется периодом решетки (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Дифракционная решетка

Например, если на дифракционной решётке имеется 100 штрихов на 1 мм, то период (или постоянная) дифракционной решётки мм.

На рисунке 8.2 представлена схема хода лучей через дифракционную решетку. Лучи, проходящие через решетку перпендикулярно ее плоскости, попадают в зрачок наблюдателя и образуют на сетчатке глаза обычное изображение источника света. Лучи, огибающие края щелей решетки, имеют некоторую разность хода, зависящую от угла . Если эта разность равна длине волны или , где – целое число, то каждая такая пара лучей образует на сетчатке изображение источника, цвет которого определяется соответствующей длиной волны .

Рис. 8.2. Ход лучей через решётку

Смотря сквозь решетку на источник света, наблюдатель, кроме этого источника, видит расположенные симметрично по обе стороны от него дифракционные спектры.

Ближайшая пара спектров (1-го порядка) соответствует разности хода лучей, равной для соответствующего света. Более удаленная пара спектров (2-го порядка) соответствует разности хода лучей, равной и т.д.

Положение главных максимумов интенсивности света будет определяться формулой дифракционной решётки:

, (8.1)

где – известный период решетки, а – порядок спектра.

Из формулы (8.1) выразим длину световой волны :

. (8.2)

Значит, чтобы определить длину волны, соответствующей линии определенного цвета, достаточно найти:

. (8.3)

Поскольку углы, под которыми наблюдают границы спектров для решетки с мм, не превышают 4°, вместо синусов можно использовать значения тангенсов, т.е.:

, тогда

. (8.4)

Для выполнения работы служит прибор, представляющий собой линейку, разделенную на миллиметры, с перемещающимся вдоль нее черным экраном. Посередине экрана имеется прорезь, с помощью которой прибор направляют на источник света. Смотря сквозь решетку и прорезь на источник света, наблюдатель увидит на черном фоне экрана по обе стороны от прорези дифракционные спектры 1-го, 2-го и т.д. порядков.

Расстояние отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние от прорези до линии спектра определяемой длины волны.

Рекомендуемая литература

1. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Милковская Л.Б. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1964. – Т. 1-3.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1978. – Т. 1-3.

4. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1985. – 576 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977. – Т. 1-3.

6. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Электродинамика: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. институтов. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1990. – 319 с.

7. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, – 1976. – 926 с.

8. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. – М.: Наука, 1975. – 624 с.

9. Енохович А.С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1978. – 415 с.