Опытная проверка закона Бойля - Мариотта

Цель работы: проверить на опыте обратно пропорциональную зависимость между давлением газа и его объёмом при постоянной температуре.

Оборудование: стеклянная трубка с пробкой, гибкая трубка (например, резиновая) длиной около 1,5 м, стеклянная или прозрачная пластмассовая воронка, метровая линейка, два штатива с лапками.

Описание работы

В один конец гибкой U-образной трубки (рис. 1) вставлена стеклянная трубка, а в другой конец — прозрачная воронка. Всю систему заполняют водой так, чтобы над трубкой оставался небольшой объём воздуха. Затем трубку плотно закрывают пробкой. При этом в трубке остаётся объём воздуха V₁ = l₁S, где l₁ — начальная высота столба воздуха, S — площадь поперечного сечения трубки. Этот воздух находится при атмосферном давлении p₁ = р_а.

Рис. 1

Если поднять конец трубки с воронкой, то давление воздуха под пробкой увеличится и станет равным р₂ = р_a + ρgh, где ρ — плотность воды, h — разность уровней воды в воронке и стеклянной трубке. Конечную высоту столба воздуха обозначим l₂. Тогда конечный объём воздуха в трубке V₂ = l₂S.

Вследствие теплообмена с окружающим воздухом температуру воздуха в стеклянной трубке можно считать постоянной. Поэтому согласно закону Бойля — Мариотта

p_aV₁ = (p_a + ρgk)V₂,

откуда

p_al₁ = (p_a + ρgk)l₂

Это соотношение и проверяется в данной работе.

Ход работы

1. Определите по барометру-анероиду¹ атмосферное давление p_a. Результат (в паскалях) запишите в таблицу, заголовок которой приведён ниже.

¹ Если в классе нет барометра-анероида, можно принять значение атмосферного давления равным нормальному атмосферному давлению (10⁵ Па).

2. Конец гибкой трубки, соединённый со стеклянной трубкой, осторожно закрепите в лапках штатива на высоте 40—50 см.

3. Конец гибкой трубки, соединённый с воронкой, осторожно закрепите в лапках второго штатива на такой же высоте.

4. Через воронку наполните систему водой так, чтобы поверхность воды в стеклянной трубке была ниже верхнего конца трубки на 10—15 см (см. рис. 1).

5. Закройте стеклянную трубку пробкой и измерьте высоту l₁ воздушного столба в ней. Результат запишите в таблицу.

6. Поднимите конец гибкой трубки с воронкой на 1 м. Измерьте высоту воздушного столба l₂ и разность уровней воды h в воронке и стеклянной трубке. Результаты запишите в таблицу.

7. Вычислите давление воздуха в стеклянной трубке по формуле р₂ = р_а + ρgh. Запишите расчёт.

8. Результаты внесите в таблицу и проверьте, выполняется ли закон Бойля — Мариотта. Расчёт запишите в тетради.

9. Запишите выводы из эксперимента.