Řešení praktické úlohy celostátního kola 53. ročníku fyzikální olympiády.

Podobné dokumenty
Laboratorní práce č. 4: Určení hustoty látek

HUSTOTA PEVNÝCH LÁTEK

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

VY_52_INOVACE_2NOV47. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 7.

Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů. = 30 s.

Teorie: Hustota tělesa

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

1. Určete závislost povrchového napětí σ na objemové koncentraci c roztoku etylalkoholu ve vodě odtrhávací metodou.

Měření teplotní roztažnosti

Fyzikální veličiny a jednotky, přímá a nepřímá metoda měření

Struktura a vlastnosti kapalin

VY_52_INOVACE_2NOV43. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 7., 8.

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Měření měrné telené kapacity pevných látek

Identifikace vzdělávacího materiálu VY_52_INOVACE_F.7.B.32 EU OP VK. Vztlaková síla

Archimédův zákon, vztlaková síla

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Měření teplotní roztažnosti

Měření povrchového napětí

Počítačem podporované pokusy z mechaniky

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Kalorimetrická měření I

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

3. Měření viskozity, hustoty a povrchového napětí kapalin

Přírodní vědy aktivně a interaktivně

4. Kolmou tlakovou sílu působící v kapalině na libovolně orientovanou plochu S vyjádříme jako

Mechanické vlastnosti kapalin hydromechanika

Příklady z hydrostatiky

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Úloha č. 1 Odměřování objemů, ředění roztoků Strana 1. Úkol 1. Ředění roztoků. Teoretický úvod - viz návod

Měření magnetické indukce elektromagnetu

Univerzita obrany. Měření součinitele tření potrubí K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

6. Mechanika kapalin a plynů

1. Změřte rozměry a hmotnosti jednotlivých českých mincí a ze zjištěných hodnot určete hustotu materiálů, z nichž jsou zhotoveny. 2.

BIOMECHANIKA. Studijní program, obor: Tělesná výchovy a sport Vyučující: PhDr. Martin Škopek, Ph.D.

1. Měřením na rotačním viskozimetru zjistěte, zda jsou kapaliny připravené pro měření newtonovské.

2.3 Tlak v kapalině vyvolaný tíhovou silou Tlak ve vzduchu vyvolaný tíhovou silou... 5

JEVY NA ROZHRANÍ PEVNÉHO TĚLESA A KAPALINY

Měření součinitele odporu pláště kužele

Stanovení měrného tepla pevných látek

s 1 = d t 2 t 1 t 2 = 71 m. (2) t 3 = d v t t 3 = t 1t 2 t 2 t 1 = 446 s. (3) s = v a t 3. d = m.

Vyhodnocení součinitele alfa z dat naměřených v reálných podmínkách při teplotách 80 C a pokojové teplotě.

Univerzita obrany. Měření na výměníku tepla K-216. Laboratorní cvičení z předmětu TERMOMECHANIKA. Protokol obsahuje 13 listů. Vypracoval: Vít Havránek

ARCHIMÉDŮV ZÁKON. Archimédův zákon

Metodika stanovení kyselinové neutralizační kapacity v pevných odpadech

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

Metrologie hmotnosti

VY_52_INOVACE_2NOV45. Autor: Mgr. Jakub Novák. Datum: Ročník: 7.

34_Mechanické vlastnosti kapalin... 2 Pascalův zákon _Tlak - příklady _Hydraulické stroje _PL: Hydraulické stroje - řešení...

MECHANIKA HYDROSTATIKA A AEROSTATIKA Implementace ŠVP

Řešení úloh 1. kola 52. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D., kde t 1 = s v 1

Mechanika kapalin a plynů

CVIČENÍ č. 7 BERNOULLIHO ROVNICE

Rozumíme dobře Archimedovu zákonu?

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM. M.Macháček : Fyzika pro ZŠ a VG 6/1, 6/2 (Prometheus) M.Macháček : Fyzika pro ZŠ a VG 7 (Prometheus)

Měření magnetické indukce permanentního magnetu z jeho zrychlení

DUM č. 12 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

Základní pojmy a jednotky

1. Změřte teplotní závislost povrchového napětí destilované vody σ v rozsahu teplot od 295 do 345 K metodou bublin.

HYDROSTATICKÝ TLAK. 1. K počítači připojíme pomocí kabelu modul USB.

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

VÝUKOVÝ MATERIÁL Ing. Yvona Bečičková Termika VY_32_INOVACE_0301_0212 Teplotní roztažnost látek. Fyzika 2. ročník, učební obory Bez příloh

Fyzikální praktikum I

Určení hustoty látky. (laboratorní práce) Zvyšování kvality výuky v přírodních a technických oblastech CZ.1.07/1.1.28/

Stanovení účinku vodního paprsku

Vztlaková síla působící na těleso v atmosféře Země

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

Přehled základních fyzikálních veličin užívaných ve výpočtech v termomechanice. Autor Ing. Jan BRANDA Jazyk Čeština

Charakteristika předmětu:

Řešení úloh krajského kola 52. ročníku fyzikální olympiády Kategorie B Autořiúloh:M.Jarešová(1,3),J.Thomas(2),P.Šedivý(4)

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

MĚŘ, POČÍTEJ A MĚŘ ZNOVU

Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název DUM: Hustota Číslo DUM: III/2/FY/2/1/9 Vzdělávací předmět: Fyzika Tematická oblast: Fyzikální veličiny a

Úloha č.2 Vážení. Jméno: Datum provedení: TEORETICKÝ ÚVOD

Měření permitivity a permeability vakua

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda. Vyučovací předmět: fyzika. Třída: sekunda. Očekávané výstupy. Poznámky. Přesahy. Průřezová témata.

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

LEE: Stanovení viskozity glycerolu pomocí dvou metod v kosmetickém produktu

ZÁKLADNÍ ŠKOLA KOLÍN II., KMOCHOVA 943 škola s rozšířenou výukou matematiky a přírodovědných předmětů

Laboratorní cvičení č.11

FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 8: Závislost odporu termistoru na teplotě

Fyzika. 6. ročník. měřené veličiny. značky a jednotky fyzikálních veličin

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Ústav fyziky FEI VUT BRNO

2 Jevy na rozhraní Kapilární tlak Kapilární jevy Objemová roztažnost kapalin 7

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Úloha č.1: Stanovení molární tepelné kapacity plynu za konstantního tlaku

pv = nrt. Lord Celsius udržoval konstantní tlak plynu v uzavřené soustavě. Potom můžeme napsat T, tedy V = C(t t0) = Ct Ct0, (1)

1) Tělesa se skládají z látky nebo menších těles mají tvar, polohu a rozměry všechna tělesa se pohybují! 2) Látky se skládají z atomů a molekul

LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

Nejistoty kalibrací a měření pístových pipet. Ing. Alena Vospělová Český metrologický institut Okružní Brno

Struktura a vlastnosti kapalin

Transkript:

Řešení praktické úlohy celostátního kola 53. ročníku fyzikální olympiády. Autor úlohy: V. Vícha 1. úkol Pro stav, kdy hustoměr plove, platí rovnováha tíhové a vztlakové síly(zatím zanedbáváme sílu povrchovou), tj. mg=v h kg, kde mjehmotnosthustoměru, gjetíhovézrychlení, V h jeobjemponořenéčásti hustoměru, kjehustotakapaliny. Odtud pro hmotnost hustoměru dostaneme vztah m=v h k. Dále musíme určit objem ponořené části hustoměru, k čemuž využijeme poznatku, že po ponoření hustoměru stoupla hladina vody ve válci. Platí V h = p d2 4 h 1, kde djeprůměrodměrnéhoválce, h 1 jevýška,okteroupřiponořeníhustoměru stoupne hladina v odměrném válci. Přímé určení průměru odměrného válce je vzhledem k provedení válce nemožné. Je třeba změřit papírovým měřítkem vnější obvod, z něj vypočítat vnější průměr a ztotožnit s vnitřním průměrem(tloušťka stěny lahve je malá, asi 0,2mm). Proprůměr dodměrnéhoválceplatívztah d= o,kde ojeobvododměrného p válce. Pro hmotnost hustoměru tedy odvodíme vztah Typické naměřené hodnoty: m=p d2 4 h 1 k= o2 h 1 k. 4p k=(998 ±1)kg m 3 δ k=0,1% o=(23,7 ±0,1)cm δo=0,4% h 1 =(12 ±2)mm δh 1 =17%. Chyba2mmprovýšku h 1 vyplýváztoho,ževýškuhladinynaměřítkuodečítáme dvakrát. Po dosazení vychází hmotnost hustoměru m = 0,054 kg. 1

Určímerelativníchybu δm=2 δo+δh 1 +δ k=2 0,4%+17%+0,1%=18%. Hmotnost hustoměru včetně určení chyby je m=(0,054 ±0,014)kg. Hmotnost hustoměru při kontrolním vážení na digitální váze vyšla m váha =0,053kg. Relativní odchylka hmotnosti vypočtené a hmotnosti určené vážením činí 1,9%. 2. úkol Základnímyšlenkouprourčeníneznáméhmotnosti m s solijerozpustitsůl ve vodě a změřit hustotu roztoku. Doodměrnéhoválcenalijemedefinovanýobjemvody V 1 (poznačku1,900l) ahustoměremurčímejejíhustotu 1.Ztěchtoúdajůlzeurčithmotnostvody m 1 = 1 V 1. Nyní přichází důležitý krok rozpuštění soli ve vodě. Kdo nasype sůl přímo do odměrného válce s vodou, nedosáhne dokonalého rozpuštění. Nerozpuštěná sůl se nahromadí na dně hlubokého válce a roztok bude silně nehomogenní. Je třebadostatekvodyodlítzválcedopomocnénádoby,vnímíchánímsůldokonale rozpustit a roztok pak přilít zpět do odměrného válce. Hladina nyní bude výšenežuznačky1,900l.nanalepenémměřítkuurčímezvýšeníhladiny h 2. Potomurčímepřírůstekobjemu V = o2 h 2 4p ahustoměremzměřímehustotu 2.Celkovýobjemroztokuje V 2 = V 1 + V.Prohustoturoztokuplatí 2= m 1+ m s V 2, kde m s jehmotnostsoli.hmotnostsolivyjádříme ( ) m s = 2V 2 1V 1 = 2 V 1 + o2 h 2 1V 1. 4p Typické naměřené hodnoty: 1=998kg m 3 V 1 =1,900l o=23,7cm h 2 =4mm 2=1025kg m 3 Podosazenívycházíhmotnostsoli m s =0,070kg. Výpočet chyby tentokrát není požadován. 2

Hmotnostsolipřikontrolnímváženínadigitálnívázevyšla m sváha =0,072kg. Relativní odchylka hmotnosti vypočtené a hmotnosti určené vážením činí 2,8%. 3. úkol Pro objemovou teplotní roztažnost kapalin platí přibližný vztah V= V 0 [1+β(t t 0 )], kde V 0 jeobjempřiteplotě t 0, Vjeobjempřiteplotě t, βjesoučinitelobjemové teplotní roztažnosti. Z výše uvedeného vztahu odvodíme přibližný vztah pro závislost hustoty kapaliny na teplotě = 0[1 β(t t 0 )], kde 0 jehustotapřiteplotě t 0, jehustotapřiteplotě t, β je součinitel objemové teplotní roztažnosti, pro který odvodíme vztah β= 0 0(t t 0 ). Do odměrného válce nalijeme libovolné množství vody a pomocí hustoměru, kterýjeopatřentakéteploměrem,změřímehustotu 0ateplotu t 0.Pakvodu vyměníme za vodu teplejší a celý postup opakujeme, tj. změříme hustotu a teplotu t. Typické naměřené hodnoty: 0=(998 ±1)kg m 3 δ k=0,1% t 0 =(18,0 ±0,5) C δt 0 =2,8% =(992 ±1)kg m 3 δ k=0,1% t=(42,0 ±0,5) C δt=1,2% Po dosazení vychází součinitel objemové teplotní roztažnosti β=2,5 10 4 K 1. Určíme chybu a relativní chybu měření: ( 0 )=1kg m 3 +1kg m 3 =2kg m 3, δ( 0 )= 2 6 100%=33,3%. δ 0= 1 998 100%=0,1% 3

(t t 0 )=0,5 C+0,5 C=1 C, δ(t t 0 )= 1 24 100%=4,2%. Souhrnem δβ=33,3%+0,1%+4,2%=38%, β=1,0 10 4 K 1. β=(2,5 ±1,0) 10 4 K 1, δβ=38%. Porovnáme výsledek s tabulkami: MFCHT pro střední školy(1988) uvádějí, že součinitel objemové teplotní roztažnostiprovoduoteplotě20 Cmáhodnotu β=1,8 10 4 K 1. Přesnější představu o závislosti hustoty destilované vody v závislosti na teplotě získáme z tabulky a grafu(zdroj: Čmelík, M., Machonský, L., Šíma, Z. Fyzikální tabulky. Liberec: TU Liberec, 2001.) níže uvedeným postupem. t 0 4 10 15 20 30 C kg m 3 999,941 999,973 999,701 999,099 998,205 995,651 t 40 50 60 70 80 90 100 C kg m 3 992,22 988,04 983,2 977,76 971,79 965,3 958,35 1000 995 990 985 980 975 970 965 960 955 Závislost hustoty destilované vody na teplotě kg m 3 =0,00002t 3 0,00587t 2 +0,01701t+1000,02544 R 2 =0,99998 0 20 40 60 80 100 t C 4

Zgrafujepatrné,ževrozsahu0 Caž100 Crozhodněnejdeolineární závislost.pronašeměřenívšakpotřebujememaximálněrozsahteplotod15 C do50 C(podbarvenýobdélník).Zvýšeuvedenéhografujevidět,žeprointervalteplotod18 Cdo42 C,jemožnolinearizaciprovést,anižbychom se dopustili příliš velké chyby. Pro výpočet β potřebujeme dvě teploty a dvě hustoty, přičemž hustoty se dají buď změřit nebo vypočítat z teplot(polynomická funkce 3. stupně, která byla získána pomocí Excelu proložením hodnot v grafu). V obou případech budeme dosazovat do vztahu(linearizace) β= 0 0(t t 0 ). Experimentální určení hustot při odpovídajících teplotách dává výsledek β=2,5 10 4 K 1,srelativníchybou38%,jakjižbylovýšeuvedeno.Porovnejme tento výsledek s výsledkem získaným výpočtem hustot. Pro teplotu t 0 =18 Cdostanemehustotu 0=(2 10 5 18 3 5,87 10 3 18 2 +17,01 10 3 18+1000,02544)kg m 3, 0=998,79kg m 3. Obdobněproteplotu t=42 Cdostanemehustotu =(2 10 5 42 3 5,87 10 3 42 2 +17,01 10 3 42+1000,02544)kg m 3, =991,87kg m 3. Podosazenívychází β = 2,9 10 4 K 1.Zasprávnějšíbudeme považovat výsledekvypočtenýzpřesnějšíchhustot β=2,9 10 4 K 1.Relativníodchylka obouvýsledkůčiní14%. Poznámka: V této části úlohy jsme vlastně zjišťovali střední hodnotu teplotního součinitele β pro daný teplotní rozsah. Pokud bychom vzali v úvahu přesnou definici součinitele β pro určitou vztažnou teplotu β= 1 d dt a dosadili do ní získanou polynomickou funkci, dostaneme vztah 6 10 5 t 2 11,74 10 3 t+17,01 10 3 β= 2 10 5 t 3 5,87 10 3 t 2 +17,01 10 3 t+1000,02544 K 1. Proteplotu t 0 =18 Cnámtentovztahdáváhodnotu β=1,75 10 4 K 1, proteplotu t=42 Cnámtentovztahdáváhodnotu β=3,73 10 4 K 1. Námiexperimentálněurčenáhodnota β=2,5 10 4 K 1 ležímezinimi,cožje vpořádku. 5

4. úkol Při odečítání hustoty v úrovni hladiny si nelze nepovšimnout, že hladina v okolí hustoměru je vzedmutá, což poněkud komplikuje odečet. Je to způsobeno tím, že voda smáčí skleněný hustoměr a působí na něj povrchovou silou. Při dokonalém smáčení působí povrchovásíla Fvesměrutečnykpovrchu kapalinya vtahuje tedyhustoměrdo vody. Má stejný směr jako tíhová síla působící na hustoměr. Pro plovoucí hustoměr tedy přesněji platí rovnováha tří sil: F G + F= F vz. Velikost povrchové síly určíme užitím vztahu F= σl=σpd, kde σ je povrchové napětí vody, l je obvod hustoměru, d je průměr hustoměru. Povrchovénapětívodypři20 Cmáhodnotu σ = 0,073 N m 1,průměr hustoměruje d=6,5mm.potomvychází,žepovrchovásílamávelikost F=1,5 10 3 N. Určíme poměr povrchové a tíhové síly: F F G = F mg d F = 1,5 10 3 0,054 9,81 =3 10 3. Tedy F=0,003 F G. Povrchovásílačiní0,3%tíhovésíly(Fmířívesměrutíhovésíly).Velikosttíhové sílyjetedyo0,3%menší,nežjsmeuvažovalivúkoluč.1.velikostvztlakovésíly proto bude o 0,3% větší než odpovídá ponoření hustoměru. Jestliže hustoměr měří s relativní chybou 0,1 %, nemusí být obecně vliv povrchového napětí zanedbatelný. Vúkoluč.1: zčehož m g+ F= V h kg, m = V h kg. g Správnějšíhodnotahmotnostihustoměrujesiceo0,3%nižší,tosealevřádu gramů neprojeví. 6