УДК 372.853

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ УСТАНОВКИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТРА

№12,

Физико-математические науки

Девяткин Евгений Михайлович (Кандидат физико-математических наук)

Ключевые слова: УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ; ЭЛЕКТРОННАЯ УСТАНОВКА; ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА; ЭЛЕКТРОКАЛОРИМЕТР; ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ; SPECIFIC HEAT; ELECTRONIC INSTALLATION; LABORATORY WORK; ELECTROCALORIMETER; DISTANCE LEARNING.

Аннотация: Статья посвящена моделированию электронной лабораторной установки для определения удельной теплоемкости жидкостей методом электрокалориметра. Установка создана с помощью программы создания интерактивных анимаций Macromedia Flash, которая включает графический редактор и язык объектно-ориентированного программирования Action Script 2.0. Установка имеет дружелюбный интуитивно понятный интерфейс для ее управления и изменения многочисленных параметров физического процесса. Созданная электронная лабораторная установка может быть использована как при очном, там и при дистанционном изучении соответствующей темы физики.

Необходимой составляющей изучения физики в вузах и школах являются лабораторные работы. В последние годы стремительно увеличилась самостоятельная деятельность учащихся. Электронные лабораторные работы дают возможность учащимся без чьей-либо помощи выполнять практические задания. Главное превосходство виртуальных установок состоит в их доступности. Эти установки могут применяться в качестве ознакомительного материала, быть своего рода тренировкой перед работой с реальными лабораторными установками. Особенностью дистанционного образования является невозможность работы с реальными лабораторными установками, по этой причине единственным наилучшим выходом в этом случае считаются виртуальные лабораторные работы [1, 2].

В процессе экспериментов, выполняемых обучающимися самостоятельно во время лабораторных занятий, ученики постигают закономерности физических явлений и процессов, узнают способы их изучения, обучаются правилам работы с физическими устройствами. Благодаря этому учащиеся без помощи преподавателя получают практические знания. Таким образом, при проведении физических опытов у учащихся формируется исследовательская компетенция.

Для создания электронных лабораторий используются различные средства: облачные технологии, метод игрофикации и др. [3, 4]. Обычно при помощи программ компьютерной графики создаются объекты виртуальных лабораторных установок, а с помощи программ создания анимаций, производится программирование физических процессов и перемещение объектов. Как правило, виртуальные лабораторные работы создаются на основе реальных лабораторных установок. Виртуальная лабораторная установка чаще всего является настоящим аналогом реальной лабораторной установки [5-6]. При ее выполнении сопутствующие значения физических величин отображаются на экране компьютера [7].

Целью работы является создание электронной интерактивной установки моделирующей один из способов определения удельной теплоемкости жидкостей – метод электрокалориметра.

Удельная теплоемкость вещества измеряется количеством теплоты, необходимой для нагревания одного килограмма вещества на один градус. Величина теплоемкости не остается постоянной и изменяется в зависимости от условий, в которых она определяется. Особенно важной является зависимость теплоемкости от температуры и давления. Обычно пользуются средним значением удельной теплоемкости для данного интервала температур. [latex]c=\frac{Q}{\left(m_{1} -m_{2}\right)} [/latex], (1) где Q – количество теплоты, затраченное на нагревание массы вещества m от температуры t1 до t2.

Метод электрокалориметра основан на тепловом действии электрического тока. Прибор состоит из двух калориметров К1 и К2, в которые помещены спирали с известными сопротивлениями R1 и R2, источника постоянного тока, электронного секундомера, двух аналоговых термометров, двух вольтметров, амперметра и жидкостей: вода, масло, глицерин, скипидар. Начальные параметры установки устанавливаются на панели управления. К ним относятся объемы жидкостей, плотности и их температуры в обоих калориметрах. Массы и теплоемкости калориметров, а также характеристики электронагревателей, помещаемых в калориметры.

Количество теплоты, отданное первой и второй спиралями при прохождении по ним тока за время [latex]\tau[/latex] равно [latex]Q_{1}=I^{2}R_{1}\tau[/latex], (2) [latex]Q_{2}=I^{2}R_{2}\tau[/latex], (3) где I – сила тока, измеряемая амперметром, R1 и R2 – сопротивления спиралей в калориметрах К1 и К2, [latex]\tau[/latex] – время пропускания тока.

В калориметр К1 наливается жидкость с известной удельной теплоемкостью (вода), а в калориметр К2 исследуемая жидкость (глицерин). Количество теплоты, полученное первым калориметром, мешалкой и водой за время [latex]\tau[/latex]: [latex]Q_{1}=\left(m_{v}c_{v}+m_{1}c_{1}\right)\left(\theta_{1}-t_{1} \right)+\Delta Q_{1}[/latex], (4) где mv и cv – масса и удельная теплоемкость воды, m1 и c1 – масса и удельная теплоемкость калориметра К1 с термометром, t1 и [latex] \theta _{1}\[/latex] – начальная и конечная температуры воды, [latex]\Delta Q_{1}\[/latex] – потеря теплоты в окружающей среде калориметром К1. [latex]Q_{2}=\left(m_{g}c_{g}+m_{2}c_{2}\right)\left(\theta_{2}-t_{2} \right)+\Delta Q_{2}[/latex], (5) где mg и cg – масса и удельная теплоемкость жидкости, m2 и c2 – масса и удельная теплоемкость калориметра К2 с термометром, t2 и [latex]\theta _{2}\[/latex] – начальная и конечная температуры воды, [latex]\Delta Q_{2}\[/latex] – потеря теплоты в окружающей среде калориметром К2.

Если сопротивления R1 и R2 подобраны таким образом, что температуры в обоих калориметрах в каждый момент времени одинаковы или отличаются незначительно, то будет также одинаково количество теплоты, отдаваемое этими калориметрами в окружающую среду [latex]\Delta Q_{1}=\Delta Q_{1}.[/latex]

Приравнивая выражения (2) и (4), а также (3) и (5) получим:

[latex]I^{2}R_{1}\tau=\left(m_{v}c_{v}+m_{1}c_{1}\right)\left(\theta_{1}-t_{1} \right)+\Delta Q_{1}[/latex], (6)
[latex]I^{2}R_{2}\tau=\left(m_{g}c_{g}+m_{2}c_{2}\right)\left(\theta_{2}-t_{2} \right)+\Delta Q_{2}[/latex], (7)

Решая систему уравнений (6)–(7), найдем:

[latex]I^{2}\left(R_{1}-R_{2} \right)\tau =\left(m_{v}c_{v}+m_{1}c_{1}\right)\left(\theta_{1}-t_{1} \right)- \left(m_{g}c_{g}+m_{2}c_{2}\right)\left(\theta_{2}-t_{2} \right) [/latex]. (8)

Откуда

[latex]c_{g}=\frac{\left(m_{v}c_{v}+m_{1}c_{1}\right)\left(\theta_{1}-t_{1}\right)-\left(m_{2}c_{2}\right)\left(\theta_{2}-t_{2}\right)-I^{2}\left(R_{1}-R_{2} \right)\tau}{m_{g}\left(\theta_{2}-t_{2}\right)} [/latex]. (9)

Электронная интерактивная лабораторная установка создана с использованием программы Macromedia Flash. Анимирование объектов электронной работы осуществляется с помощью приложения созданного с использованием языка объектно-ориентрированного программирования ActionScript [8].

Объекты установки, изображенные на рис. 1, создавались с помощью графических редакторов растровой графики. В установке анимированными объектами являются уровни жидкости в аналоговых термометрах, стрелки амперметра и вольтметров, а также уровни жидкости в калориметрах.


Рис. 1. Электронная интерактивная установка для определения удельной теплоемкости жидкостей методом электрокалориметра

Созданная модель электронной работы является нестационарной, так как работает в режиме реального времени под управлением блока содержащего кнопки «Пуск», «Пауза» и «Стоп». Кнопка «Пуск» запускает процесс нагрева жидкостей, кнопка «Пауза» позволяет приостановить процесс на неопределенное время, и наконец кнопка «Сброс» позволяет привести установку к первоначальным установленным параметрам.

С помощью атрибута NumericSteрper на панели управления задаются массы калориметров, а затем объемы налитых в них жидкостей с точностью до 0,01 литра. В калориметрах находятся, жидкости, спирали электронагревателей и термометры. Электрическая цепь представляет собой источник тока, последовательно соединенные спирали электронагревателей и амперметра. К спиралям электронагревателей параллельно соединены вольтметры, предназначенные для измерения напряжения на этих участках цепи.

После установки начальной температуры воды и жидкости в первом К1 и втором К2 калориметрах с точностью до 10 С. Замыкают цепь ключом и одновременно с включением тока отмечают время. Величину тока, проходящего через спирали, определяют по амперметру. В процессе проведения эксперимента величину тока не изменяют.

Рекомендуется пропускать ток величиной не более 2А в течение 20 мин. По истечении этого времени ток выключают и после прекращения роста показаний термометра отсчитывают конечные температуры в калориметрах.

Полученные из опыта данные, а также табличные значения теплоемкостей воды и вещества калориметров, а также известные величины сопротивления спиралей подставляют в формулу (9) и определяют неизвестную удельную теплоемкость жидкости.

Ознакомиться с действующей электронной установкой по определению удельных теплоемкостей жидкостей можно на сайте дистанционного обучения, посвященного интерактивным лабораторным работам по физике [9].

Список литературы

  1. Девяткин Е.М. Технология организации электронного обучения физике // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 1. – С. 77-82; URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36896 (дата обращения: 3.03.2018).
  2. Смирнов С. А. Применение Moodle 2.3 для организации дистанционной поддержки образовательного процесса: учеб. пособие. – М.: Школа Будущего, 2012. – 182 с.
  3. Дмитриев В.Л., Каримов Р.Х. Применение облачных технологий, экспертных систем и принципа игрофикации при организации электронного обучения / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – №12-3. – С. 413-416.
  4. Дмитриев В.Л., Каримов Р.Х. Организация электронного обучения на авторской образовательной платформе «облачная школа» / В.Л. Дмитриев, Р.Х. Каримов // Информатика и образование. – 2016. – №4(273). – С. 25-28.
  5. Девяткин Е.М. Компьютерное моделирование экспериментальных задач по общей физике/ Е.М. Девяткин // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 6.; URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=27189 (дата обращения: 3.03.2018).
  6. Девяткин Е.М. Виртуальные интерактивные лабораторные работы по определению теплоемкости твердых тел // Проблемы современного физического образования: сборник материалов IV Всероссийской научно-методической конференции. – Уфа, 2017. – С. 96 — 97
  7. Девяткин Е.М. Комплекс электронных лабораторных установок по общей физике / Е.М. Девяткин С.Л., Хасанова, Н.В. Чиганова // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 4. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24956 (дата обращения: 3.03.2018).
  8. Гурский Д. Action Script 2.0: программирование во Flash MX 2004. Для профессионалов. – СПб.: Питер, 2004. – 1088 с.
  9. Виртуальные лабораторные работы по физике [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mediadidaktika.ru/course/view.php?id=20 (дата обращения: 21.11.17).