Sprawozdanie z Fizyki
NUMER ĆWICZENIA: 25
TEMAT: Wyznaczanie współczynnika rozszerzalności liniowej metodą elektryczną.
PRZYRZĄDY:
przyrząd do pomiaru wydłużenia drutu
autotransformator
termos
cyfrowy miernik temperatury
termopara
transformator zabezpieczający
SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO:
gdzie:
m - skala mikrometryczna
W - wskazówka i jej skala
P - ciężarek
T - termos wypełniony lodem i wodą
M - cyfrowy miernik temperatury
Z - zasilanie
1 - autotransformator
2 - transformator zabezpieczający
WARUNKI POCZĄTKOWE:
l0= ( 1,110 0,004 ) m
l = 2 l {jest to skutkiem zastosowania przekładni mechanicznej}
TABELE POMIAROWE:
Tabela 1. Pomiary wstępne (badanie niedokładności odczytu)
Lp. |
l' [mm] |
1. |
0,005 |
2. |
0,01 |
3. |
0,01 |
4. |
0 |
5. |
0,01 |
Tabela 2. Pomiary właściwe
Lp. |
T [C] |
T [C] |
l ' [mm] |
l [mm] |
l/l0103 |
105 [K-1] |
105 [K-1] |
[%] |
1. |
17,5 |
0,0 |
0,00 |
0,000 |
0,000 |
------------ |
------------ |
------------ |
2. |
27,6 |
10,1 |
0,60 |
0,300 |
0,270 |
2,676 |
0,1157 |
4,32% |
3. |
36,4 |
18,9 |
1,10 |
0,550 |
0,495 |
2,622 |
0,0615 |
2,35% |
4. |
47,6 |
30,1 |
1,75 |
0,875 |
0,788 |
2,619 |
0,0386 |
1,48% |
5. |
58,0 |
40,5 |
2,34 |
1,170 |
1,054 |
2,603 |
0,0287 |
1,10% |
6. |
66,8 |
49,3 |
2,88 |
1,440 |
1,297 |
2,631 |
0,0236 |
0,90% |
7. |
78,2 |
60,7 |
3,51 |
1,755 |
1,581 |
2,605 |
0,0191 |
0,73% |
8. |
87,7 |
70,2 |
4,04 |
2,020 |
1,820 |
2,592 |
0,0165 |
0,64% |
9. |
97,3 |
79,8 |
4,58 |
2,290 |
2,063 |
2,585 |
0,0145 |
0,56% |
10. |
106,9 |
89,4 |
5,10 |
2,550 |
2,297 |
2,570 |
0,0130 |
0,50% |
11. |
119,0 |
101,5 |
5,75 |
2,875 |
2,590 |
2,552 |
0,0114 |
0,45% |
12. |
128,1 |
110,6 |
6,24 |
3,120 |
2,811 |
2,541 |
0,0104 |
0,41% |
13. |
137,5 |
120,0 |
6,75 |
3,375 |
3,041 |
2,534 |
0,0096 |
0,38% |
14. |
148,5 |
131,0 |
7,33 |
3,665 |
3,302 |
2,520 |
0,0088 |
0,35% |
gdzie:
T - temperatura
T - przyrost temperatury (T=T-T1)
l ' - przyrost długości drutu (odczytany)
l - przyrost długości drutu (rzeczywisty, l = l '/2)
l/l0 - stosunek przyrostu długości do długości początkowej
- współczynnik rozszerzalności liniowej
- błąd bezwzględny współczynnika rozszerzalności liniowej
- błąd względny współczynnika rozszerzalności liniowej
WYKORZYSTANE WZORY:
lt = l0 ( 1 + T )
= / 100%
dla g = f (x,y):
PRZYKŁADY OBLICZEŃ I PRZEKSZTAŁCEŃ WZORÓW:
Przykładowe obliczenia dla danych z pozycji nr 5:
T = 58,0C; l ' = 2,34 mm
WYKRES:
DYSKUSJA BŁĘDÓW:
Za błąd pomiaru temperatury przyjęto jedną (ostatnią) pozycję na wyświetlaczu cyfrowym, czyli 0,1C. Przy odczycie zwracano uwagę na stabilność wskazań, tzn. stopniowo zwiększano napięcie na autotransformatorze i odczyt traktowano jako stabilny i ustalony dopiero wtedy, jeśli przez 15 sek. pozostawał nie zmieniony. Miało to na celu doprowadzenie do jednakowego rozkładu temperatury wzdłuż całego drutu.
Za błąd pomiaru wydłużenia przyjęto 1 działkę na skali, czyli 0,01 mm (z pomiarów wstępnych wynikało, że błąd odczytu wynikający z niedokładnego ustawienia wskazówki nigdy nie przekroczył 0,01 mm).
Jako l0 przyjęto podaną przez wytwórcę wartość średnią, tzn. 1110 mm. Postąpiono tak dlatego, że jakakolwiek wartość l0 byłaby i tak wielkością stałą i nie wpływającą na , a jej wpływ (w zakresie podanym przez producenta, tj. 4mm) na był bardzo niewielki (maksymalnie rzędu 0,36%).
WNIOSKI:
Współczynnik rozszerzalności liniowej otrzymany w wyniku przeprowadzonego doświadczenia wynosi od około 2,510-5 do 2,710-5 [K-1] (zależy od temperatury!). Pozwala to przypuszczać, że drut użyty w doświadczeniu wykonany był z magnezu (=2,5610-5),wanadu (=2,5510-5) lub jakiegoś stopu. Otrzymane wyniki i opracowany na ich podstawie wykres pozwalają stwierdzić, że wyniki doświadczenia są stosunkowo dokładne i odpowiadające rzeczywistości (linia łącząca poszczególne punkty na wykresie jest linią prostą). Również uzyskane błędy okazały się niewielkie jak na użytą w doświadczeniu aparaturę. Oczywiście zastosowanie dokładniejszego miernika temperatury, czy czulszego miernika mikrometrycznego zwiększyłoby jeszcze tę dokładność, ale nawet teraz nie można uznać dużym błędem δα rzędu 0,5%. Należy pamiętać oczywiście o tym, że im większa była wartość ΔT, tym błąd względny był mniejszy (dlatego że ta wielkość występowała w mianowniku wzoru na Δα i jej zwiększanie zmniejszało jednocześnie wartość błędu).
Na zakończenie uwaga dotycząca przyjętej konwencji zapisu. Otóż zapis Δl, ΔT oznacza odpowiednio przyrost długości i przyrost temperatury, natomiast Δ(Δl), Δ(ΔT) oznacza błędy określenia tych przyrostów.