Исследовательская работа по физике "Важная и умная шкала температурная"

Выполнила ученица 8 «А» класса МБОУ лицей им. .И.Данилова Иванникова Елена

Научный руководитель – учитель математики и физики МБОУ лицей им. А.И.Данилова Вострикова Татьяна Петровна

Актуальность темы

Распространенные сегодня средства измерения температуры играют важную роль в науке, технике, в повседневной жизни людей, имеют многовековую историю и связаны с именами многих блестящих ученых разных стран, включая российских и работавших в России.

Именно поэтому, я захотела более глубоко изучить понятие температуры, рассмотреть различные температурные шкалы и самостоятельно проградуировать термометр.

Гипотеза

Если знать зависимость температуры от макроскопических параметров( V,p) , то можно создать прибор для измерения температуры.

Цель

Рассмотреть известные температурные шкалы и выполнить градуировку спиртового термометра.

Задачи

• Изучить дополнительную литературу и более глубоко познакомиться с понятием температуры.
• Рассмотреть различные виды термометров.
• Ознакомиться с наиболее известными температурными шкалы, проанализировать формулы перевода температуры из различных единиц измерения в 0 С.
• Используя эталонный термометр, выполнить градуировку рабочего термометра.

• Методы исследования: анализ, классификация, наблюдение, эксперимент.
• Предмет исследования : температурные шкалы .
• Объект исследования : градуировка спиртового термометра .

Теоретическая часть

Понятие температуры

Тепловое (термодинамическое) равновесие   – состояние тела или системы тел, при котором его макроскопические параметры (p, V, m  и др.) остаются неизменными сколь угодно долго. Температура - характеристика внутреннего состояния макроскопической системы – состояния теплового равновесия. Температура – термодинамический параметр, одинаковый во всех частях термодинамической системы, находящейся в тепловом равновесии. Температуры тел, находящихся в тепловом контакте, выравниваются.

Уравнение, выражающее физический смысл температуры

Изучив дополнительную литературу по физике, я более глубоко познакомилась с понятием температуры. Опытным путем было установлено, что при постоянном объеме и температуре давление газа прямо пропорционально его концентрации р = nkT, где - k коэффициент пропорциональности - постоянная Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру со средней кинетической энергией движения молекул в веществе. Температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества. Следовательно, температуру можно назвать мерой средней кинетической энергии частиц, характеризующей интенсивность теплового движения молекул.

Виды термометров

Для измерения температуры служат специальные приборы - термометры. Их действие основано на том факте, что при изменении температуры, изменяются и другие физические параметры тела, например, такие, как давление и объем. Существует несколько видов термометров:

Механические

Электрические

Жидкостные

Газовые

Оптические

Наиболее совершенный термометр

В конце XVIII в. Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к одинаковому повышению давления, если при этом объём остается постоянным. При изменении температуры по шкале Цельсия зависимость давления газа при постоянном объёме выражается линейным законом. А отсюда следует, что давление газа (при V=const) можно принять в качестве количественной меры температуры. Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром и проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

Жидкостный термометр

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

Правила измерения температуры

• Тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром.
• Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела.
• Показание термометра следует отсчитывать после наступления теплового равновесия .

Температурные шкалы

Существует 5 наиболее известных  температурных шкал : стоградусная, или шкала  Цельсия (ºC) ,  Фаренгейта (ºF) , абсолютная, или шкала  Кельвина (K) , шкала  Реомюра (ºR)  и шкала  Ранкина (ºRa) .

Делаем термометр

•   Все жидкостные термометры используют большой сосуд и узкую трубку, для того, чтобы лучше было видно изменение объема жидкости. Можно увидеть это собственными глазами, сделав собственный жидкостный термометр. Для этого нам понадобится:
• Стеклянная банка или бутылка с плотно закрывающейся крышкой  - крышка должна быть из металла или пластмассы. Банка должна быть стеклянной, для того, чтобы ее форма не менялась при сжатии.
• Дрель со сверлом или молоток и большой гвоздь
• Любая замазка
• Трубочка длиной около 23 см, чем тоньше, тем лучше
• Вода, простая или окрашенная

Делаем термометр

• Сделаем отверстие в крышке банки. Отверстие должно быть того же диаметра что и соломинка.
• Вставим конец соломки в отверстие и замажем щели вокруг соломинки замазкой на внутренней и внешней сторонах крышки
• Заполним банку холодной водой до самых краев. Добавим в воду какую-либо акварельную краску или марганцовку.
• Закроем банку крышкой. При закручивании банки крышкой некоторое количество воды может перелиться через край, и после закрытия часть воды может заполнить соломку.
• Поставим банку в большую кастрюлю и нальём в кастрюлю горячую воду до половины.Вы УВИДЕТЕ расширяющуюся прямо перед вашими глазами воду в банке! Поскольку вода в банке становится более теплой, то расширяется и вытесняется в соломку, уровень воды в соломке повышается.
• Получился простой жидкостный термометр. Работающий термометр. Его можно откалибровать.
• Сделанный термометр имеет несколько недостатков и ограничений:
• Поскольку рабочая жидкость - вода, то мы не сможем измерять температуру ниже 0 градусов по Цельсию (вода замерзает при 0 градусов по Цельсию). Вы также не сможете измерять температуру больше 100 градусов по Цельсию (вода закипает при 100 градусах по Цельсию).
• Поскольку банка достаточно большая, требуется много время для термометра, чтобы приобрести ту же температуру что и объект, температуру которого надо измерить – возможно, час-два.
• Так как соломка вверху открыта, вода будет испаряться. Запечатывание ртути в маленьком стеклянном термометре решает эти проблемы.

Знаешь ли ты?

• Самая высокая температура на Земле зарегистрированная в Ливии в 1922 году — +57,8 0 С; 
• самая низкая температура, зарегистрированная на Земле, — –89,2 0 С;
•   над головой у человека температура выше температуры окружающей среды на 1 – 1,5 0 С;
• средняя температура животных: лошади — 38 0 С, овцы — 40 0 С, курицы — 41 0 С;
• температура в центре Земли — 20000 0 С; температура на поверхности Солнца — 6000 К, в центре — 20 млн. град К. 
• Д-р Фредерик Сакс, биофизик из Государственного университета штата Нью-Йорк, Буффало, США, сконструировал микротермометр для измерения температуры отдельных живых клеток. Диаметр наконечника термометра – 1 микрон, т.е. 1/50 часть диаметра человеческого волоса.

Каверзные вопросы

  Как измерить температуру тела муравья с помощью обычного термометра? (“Наловить” пол - стакана муравьев и опустить туда термометр)

Можно ли обычным ртутным термометром измерить температуру одной капли горячей воды? (Нельзя, т.к. при этом сильно изменится температура капли)

Экспериментальная часть

Ход эксперимента 1 этап

В своей работе я использовала два одинаковых спиртовых термометра: образцовый и рабочий с закрытой шкалой.

C помощью эталонного термометра убедилась, что температура воды в сосуде не превышает 40 0 С.

Опустив в воду рабочий термометр с закрытой шкалой, сделала отметку, соответствующую температуре примерно 40 0 С.

Ход эксперимента 2 этап

Не вынимая термометры, я долила в сосуд холодную воду так, чтобы температура смеси стала равна примерно 20 0 С. Сделала на шкале вторую отметку.

Ход эксперимента 3 этап

Вынув термометры из воды, проградуировала рабочий термометр, изготовив шкалу с ценой деления, равной 1 0 С/дел. На изготовленной шкале отметила деление, соответствующее 0 0 С .

Опустив рабочий термометр в тающий снег, я проверила отметку 0 0 С. Вычислила абсолютная погрешность изготовленного мною рабочего прибора при этой температуре . Она равна 2 0 С.

Выводы

• В ходе выполнения исследовательской работы я более глубоко познакомилась с понятием температуры, рассмотрела с различные температурные шкалы и виды термометров.
• Используя образцовый и рабочий термометр, я проградуировала рабочий термометр, вычислила его абсолютную погрешность при температуре 0 0 С.
• Выдвинутая гипотеза о том, что если е сли знать зависимость температуры от макроскопических параметров( V,p) , то можно создать прибор для измерения температуры, подтвердилась.

Информационные ресурсы

• Физика:учеб.для 8 кл. общеобразоват. Учреждений/ [ А.А.Пинский, В.Г.Разумовский и др. ] - М.: Просвещение,2005
• http://class-fizika.narod.ru/8_1a.htm
• http://marklv.narod.ru/mkt/str5.htm
• http://www.edu.delfa.net/CONSP/mkt5.html
• http://www.fizika.ru/fakultat/index.php?theme=6&id=6210&PHPSESSID=b72gqjjqbbcbi5blo0psinghb4 виды термом.