С переходом на цифру традиционные школьные лабораторные работы по физике становятся многограннее. Данный пост есть одна из иллюстраций этого. Ниже показано, каким образом можно использовать LabQuest 2 с датчиками Vernier для проверки газовых законов. Но прежде следует упомянуть о том, что используемое оборудование поступило в нашу школу без каких-либо методических материалов. Датчики содержат лишь краткое описание на английском языке. Также имеется ряд англоязычных видеоматериалов на сайте производителей. Поэтому пояснения к лабораторной работе, которая следует далее, есть результат моей совместной работы с коллегой и другом Герасимовым Тихоном Викторовичем.

Цель работы: проверить на практике законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля.

Инструменты и материалы

Цифровая лаборатория LabQuest2 Vernier с датчиком температуры и давления газа, шприц, соединительная силиконовая трубка, вентиль, стаканы с горячей и холодной водой, стакан с водой комнатной температуры, пробирка, линейка.

Теория работы. Вспомните формулировку трёх газовых законов, которые необходимо экспериментально проверить.

Шаг 1. Проверка закона Бойля-Мариотта

Перед началом работы следует выдвинуть поршень шприца так, чтобы объём воздуха в нём составил 20 мл. При проведении эксперимента необходимо учесть, что объём воздуха в соединительной силиконовой трубке составляет 6 мл. Таким образом, исследуемая порция воздуха имеет общий объём, который складывается из объёма под поршнем в шприце и объёма в силиконовой трубке: то есть изначально общий объём порции воздуха составляет 26 мл.

Соберите экспериментальную установку, соединив шприц при помощи силиконовой трубки с измерительным комплексом. Подсоедините к трубке датчик давления газа. Уменьшая объём исследуемой порции воздуха с шагом 5 мл, последовательно перемещая поршень, снимите показания, заполните таблицу и постройте график зависимости p(V).

Шаг 2. Проверка закона Гей-Люссака

В данном эксперименте исследуется зависимость объёма воздуха в пробирке от температуры при постоянном (атмосферном) давлении. Подсоедините к измерительному комплексу датчик температуры. Поскольку объём пробирки пропорционален её длине (V=Sl), то изменение объёма также будет пропорционально изменению длины столба воздуха в пробирке (ΔV=SΔl).

Поместите пробирку в горячую воду вместе с датчиком температуры, подождите, пока воздух в пробирке прогреется, занесите показания в таблицу. l – длина столбика воздуха в пробирке, то есть изначально это длина самой пробирки.

Переверните пробирку и опустите в воду комнатной температуры. Пронаблюдайте за изменением объёма воздуха в пробирке и заполните вторую строку таблицы. Далее необходимо, не вынимая пробирку из воды, аккуратно зажать её пальцем снизу. Так, чтобы вода из пробирки не выливалась, нужно переместить её в стакан с холодной водой.

Заполните таблицу и постройте график зависимости l(T), который будет аналогичен графику V(T).

Шаг 3. Проверка закона Шарля

Подсоедините силиконовую трубку к датчику давления и с обратного конца закройте её вентилем. Тем самым исследуемый объём газа будет неизменным (6 мл).

Помещая свёрнутую трубку и датчик температуры в горячую, тёплую и холодную воду, снимите показания измерительного комплекса. Заполните таблицу и постройте график зависимости p(T).

Заключение

В завершении работы сделайте обобщённый вывод по результатам экспериментов. Данные можно обработать в табличном процессоре, сделав экстраполирование. А весьма кропотливые экспериментаторы могут сделать расчёт погрешностей и оценить полученные результаты на достоверность. Согласитесь, что открывать газовые законы экспериментально гораздо интереснее, нежели теоретически.

Возможно, у вас остались дополнительные вопросы. Например:

• Как нам удалось узнать, что внутренний объём силиконовой трубки равен 6 мл?
  Мы аккуратно опустили её в стакан с водой так, чтобы вода целиком заполнила трубку. Затем зажали один конец трубки, вынули её из стакана. Объём воды, которая содержит трубка, измерили при помощи мензурки. В трубочку нужно было подуть, чтобы вся вода из неё перелилась в мензурку.
• Откуда мы взяли ледяную воду в школе?
  Открыли окно и сгребли снег с подоконника. Если ледяная вода нужна как можно быстрее, то можно смешать снег с водой из-под крана. А можно просто подождать, когда снег растает. Имейте в виду, что чем больше разнятся температуры (Шаг 2), тем точнее результат.
• Почему в первом эксперименте мы производим изотермическое сжатие, а не расширение?
  Дело в том, что соединение шприца с трубкой не является достаточно прочным и герметичным, поэтому при попытке произвести изотермическое расширение внутрь шприца попадёт атмосферный воздух. А, как известно, газовые законы справедливы для постоянной массы газа. Поэтому для изучения процесса изотермического расширения позаботьтесь о герметичности. 
• Почему столько людей открывали эти законы, а не кто-то один (ведь здесь всё так быстро и просто)? Дело в том, что сегодня газовые законы можно получить из уравнения Клапейрона-Менделеева, которое на момент открытий (17-18 вв.) ещё не было известно. И самое странное, в те времена ещё не была установлена абсолютная шкала температур. А, кроме того, тогда не существовало ни цифровой лаборатории, ни датчиков. Теперь становится непонятно, как всё это вообще можно было открыть!