Опытная проверка закона Бойля-Мариотта

Цель работы: проверить на опыте обратно пропорциональную зависимость между давлением газа и его объемом 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 объем воздуха. Затем трубку плотно закрывают пробкой, При этом в трубке остается объем воздуха V₁ = l₁S, где l₁ – начальная высота столба воздуха, S – площадь поперечного сечения трубки. Этот воздух находится при атмосферном давлении p₁ = p_a.

Если поднять конец трубки с воронкой, то давление воздуха под пробкой увеличится и станет равным p₂ = p_a + ρgh, где ρ – плотность воды, h – разность уровней воды в воронке и стеклянной трубке. Конечную высоту столба воздуха обозначим l₂. Тогда конечный объем 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 + ρgh)V₂,

откуда

p_al₁ = (p_a + ρgh)l₂.

Это соотношение и проверяется в данной работе.

Ход работы

1. Определите по барометру-анероиду атмосферное давление pa. (Если в классе нет барометра-анероида, можно принять значение атмосферного давления равным нормальному атмосферному давлению (10⁵ Па).) Результат (в паскалях) запишите в таблицу, заголовок которой приведен ниже.

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

3. Конец гибкой трубки, соединенный 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 p₂ = p_a + ρgh. Запишите расчет.

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

9. Запишите выводы из эксперимента.