|
Инфофиз
Весь мир в твоих руках, всё будет так, как ты захочешь!
|
|
|---|
Инфофиз
Весь мир в твоих руках, всё будет так, как ты захочешь!
Физика для студентов
Теория по теме: Лекция 22-1. Свойства твердых тел.
Материал находится в разработке
Лабораторная работа
Тема: "Наблюдение роста кристаллов из раствора"
Цель: научиться создавать кристаллы, пронаблюдать за ростом кристалла
Теоретические сведения
Существуют два простых способа выращивания кристаллов из раствора: охлаждение насыщенного раствора соли и его выпаривание. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора. В условиях школьного физического кабинета проще всего выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцов. В домашних условиях можно выращивать кристалл медного купороса или обычной поваренной соли.
Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры уменьшается.
При охлаждении горячего (примерно 40°С) насыщенного раствора до 20°С в нем окажется избыточное количества соли на 100 г воды. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, т.е. раствор будет пересыщенным.
С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, при каждой данной температуре в растворе остается то количество вещества, которое соответствует коэффициенту растворимости при этой температуре. Избыток вещества из раствора выпадает в виде кристаллов; количество кристаллов тем больше, чем больше центров кристаллизации в растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики соли. Если предоставить выпавшим кристалликами возможность подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для выращивания крупных кристаллов.
Чтобы вырастить крупный кристалл, в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор нужно внести кристаллик - затравку, заранее прикрепленный на волосе или тонкой леске, предварительно обработанной спиртом.
Можно вырастить кристалл без затравки. Для этого волос или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, чтобы конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться рост кристалла.
Если для выращивания приготовлен крупный затравочный кристалл, то его лучше вносить в слегка подогретый раствор. Раствор, который был насыщенным при комнатной температуре, при температуре на 3-5°С выше комнатной будет ненасыщенным. Кристалл-затравка начнет растворяться в нем и потеряет при этом верхние, поврежденные и загрязненные слои. Это приведет к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда температура понизится до комнатной, раствор вновь станет насыщенным, и растворение кристалла прекратится. Если стакан с раствором прикрыть так, чтобы вода из раствора могла испаряться, то вскоре раствор станет пересыщенным и начнется рост кристалла. Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом месте, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.
Ход работы
1. Тщательно вымойте стакан и воронку, подержите их над паром.
2. Налейте 100, г дистиллированной (или дважды прокипяченной) воды в стакан и нагрейте её до 30°С-40°С. Используя кривую растворимости, приведенную на рисунке 1, определите марсу соли, необходимую для приготовления насыщенного раствора при 30°С.
Приготовьте насыщенный раствор и слейте его через ватный фильтр в чистый стакан. Закройте стакан крышкой или листком бумаги. Подождите, пока раствор остынет до комнатной температуры. Откройте стакан. Через некоторое время начнут выпадать первые кристаллы.
3. Через сутки слейте раствор через ватный фильтр в чистый, вновь вымытый и попаренный стакан. Среди множества кристаллов, оставшихся на дне первого стакана, выберите самый чистый кристалл правильной формы. Прикрепите кристалл-затравку к волосу или леске и опустите его в раствор. Волос или леску предварительно протрите ватой, смоченной спиртом. Можно также положить кристалл-затравку на дно стакана перед запивкой в него раствора. Поставьте стакан в теплое чистое место. В течение нескольких суток или недель не трогайте кристалл и не переставляйте стакан. В конце срока выращивания выньте кристалл из раствора, тщательно осушите бумажной салфеткой и уложите в специальную коробку. Руками кристалл не трогайте, иначе он потеряет прозрачность.
Видеоопыт.
Опыт 1. Выращивание кристалла из медного купороса.
Опыт 2. Выращивание кристалла из поваренной соли.
Контрольные вопросы
1. Что может служить центром кристаллизации?
2. Чем объясняется неодинаковая скорость роста различных граней одного и того
же кристалла?
3. Каким способом можно насыщенный раствор сделать пересыщенным без
добавления растворенного вещества?
4. Зачем раствор фильтровался?
Лабораторная работа № 6
Тема: Наблюдение процесса кристаллизации (Определение температуры кристаллизации вещества)
Цель работы: опытным путём определить температуру кристаллизации парафина, построить график её зависимости от времени.
Оборудование: пробирка с парафином, пробиркодержатель, лабораторный термометр 0-100°С, стакан с горячей водой 150 - 200 мл, часы.
Теория
Одной из характеристик кристаллических тел, отличающих их от аморфных, является определённая температура плавления (и равная ей температура кристаллизации). Другими словами, когда кристаллическое тело при постоянном нагревании достигает температуры плавления, его температура на некоторое время перестаёт повышаться, и только тогда, когда всё тело становится жидким, его температура начинает снова возрастать. Такая же задержка в изменении температуры происходит и при остывании жидкости, превращающейся в кристаллическое тело.
По мере охлаждения расплавленного кристаллического вещества его частицы замедляют свое хаотическое движение. При достижении температуры плавления скорость движения частиц уменьшается, и они под действием сил притяжения начинают «пристраиваться» одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура его остается постоянной. Это температура кристаллизации или температура плавления данного кристаллического тела.
После этого как все вещество перейдет в твердое состояние, температура его снова начинает понижаться.
Твёрдые парафины являются кристаллическими телами. В данной работе на опыте убедимся в кристаллической природе высокоочищенного (белого) парафина, применяемого в физиотерапии.
Ход работы
1. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
|
Время, Т, мин. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
Температура, t°, °C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Опустите в стакан с горячей водой (около 80 °С) пробирку с парафином и наблюдайте за тем, как он плавится.
3. После того, как парафин расплавится, перенесите пробирку в стакан, куда налито около 150 мл холодной воды, и опустите в расплавленный парафин (в его середину) термометр.
Внимание! Термометр не должен касаться стенок пробирки. Во время опыта пробирка с парафином должна быть в покое.
4. С момента, когда температура парафина начнет понижаться, с интервалом в 1 минуту записывайте показания термометра.
5. Продолжая записывать показания термометра, пронаблюдайте этап перехода парафина в твердое состояние.
6. При охлаждении до 50оС - 45оС прекратите измерения. По экспериментальным данным постройте график зависимости температуры t° от времени T.
7. По графику определите температуру кристаллизации парафина.
8. Запишите общий вывод и ответьте на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
1. Какие вещества называются кристаллическими? Аморфными? Приведите примеры.
2. Как по графику изменения температуры вещества при нагревании от времени определить температуру плавления кристаллического тела?
3. Отметьте на графике участки, соответствующие:
а) жидкому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами АВ);
б) смеси парафина в жидком и твёрдом состояниях (обозначьте этот участок буквами ВС);
в) твёрдому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами СD).
4. Объясните характер поведения молекул вещества на каждом участке состояния парафина.
5. Чем отличаются графики зависимости температуры от времени кристаллических и аморфных тел?
Вариант выполнения лабораторной работы.
|
Время, Т, мин. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
Температура, t°, °C |
72 |
69 |
67 |
61 |
58 |
56 |
55 |
55 |
55 |
52 |
51 |
50 |
49 |
Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:
Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля.
Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за начальную точку (0) удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом:
Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.
Потенциал φ∞ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:
Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов: φ = φ1 + φ2 + φ3 + ...
Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности.
Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала.
Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы. На рисунке представлены картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей некоторых простых электростатических полей.
Эквипотенциальные поверхности (синие линии) и силовые линии (красные линии) простых электрических полей
В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей.
Свойства эквипотенциальных поверхностей:
- В каждой точке эквипотенциальной поверхности вектор напряженности поля перпендикулярен ей и направлен в сторону убывания потенциала.
- Работа сил поля при перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.
Лабораторная работа № 6
Тема: Наблюдение процесса кристаллизации (Определение температуры кристаллизации вещества)
Цель работы: опытным путём определить температуру кристаллизации парафина, построить график её зависимости от времени.
Оборудование: пробирка с парафином, пробиркодержатель, лабораторный термометр 0-100°С, стакан с горячей водой 150 - 200 мл, часы.
Выполнение работы
1. Подготовили таблицу для записи результатов измерений:
|
Время, Т, мин. |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
Температура, t°, °C |
90 |
84 |
78 |
70 |
65 |
59 |
56 |
56 |
56 |
56 |
56 |
55 |
54 |
53 |
52 |
По экспериментальным данным построили график зависимости температуры t° от времени T.
По графику определили температуру кристаллизации парафина t0С=560С.
Вывод: опытным путём определили температуру кристаллизации парафина, построили график её зависимости от времени. Температура кристаллизации парафина равна 56°С
Ответы на контрольные вопросы.
1. Какие вещества называются кристаллическими? Аморфными? Приведите примеры.
Кристаллы — это твердые тела, молекулы (атомы) которых занимают упорядоченные положения в пространстве.
Примеры: графит, железо, свинец, медь, алмаз, рубин, сапфир.
Аморфные тела — это тела, обладающие как свойствами твердых тел, так и свойствами жидкостей.
Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), воск, смола, пластики и т.д.
2. Как по графику изменения температуры вещества при нагревании от времени определить температуру плавления кристаллического тела?
Кристаллическое вещество плавится при определенной температуре. Когда вещество начинает плавиться, его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока все вещество не расплавится) температура его не меняется. Процессу плавления соответствует горизонтальный участок графика, температура плавления соответствует горизонтальному участку графика.
3. Отметьте на графике участки, соответствующие:
а) жидкому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами АВ);
б) смеси парафина в жидком и твёрдом состояниях (обозначьте этот участок буквами ВС);
в) твёрдому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами СD).
4. Объясните характер поведения молекул вещества на каждом участке состояния парафина.
Участок АВ: жидкое состояние парафина. Молеулы находятся близко друг к другу, но их относительные положения не фиксированы и они медленно меняют положение относительно друг друга.
Участок ВС:
Участок СD: твердое состояние парафина. Молекулы и атомы сильно сцеплены друг с другом, подвижность частиц очень мала.
5. Чем отличаются графики зависимости температуры от времени кристаллических и аморфных тел?
У аморфных тел отсутствует определенная точка плавления, поэтому на грфике зависимости температуры от времени аморфных тел не будет горизонтального участка, соответствующего температуре плавления.
Теория по теме: Лекция 25-1. Электрическое поле. Потенциал.
материал находится в обработке