跳舞的硬币实验报告

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大学物理实验实验报告
实验名称:跳舞的硬币实验
实验目的:
对气体的热胀冷缩有更全面直观的认识
实验原理:
1.理想气体状态方程
理想气体状态方程是描述理想气体在处于平衡态时,压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程,其对常温常压下的空气也近似地适用,因此本实验中的理论分析也可以运用该方程。

其方程为其中指气体压强,V指气体体积,n指气体摩尔数,R为理想气体常数,T指气体的热力学温度。

由此可得:在该实验情境中,硬币将瓶口封住后,瓶内气体的摩尔数与体积不会变化,故nR/V在本实验中硬币跳舞前可认为是一个常数。

设硬币的质量为m,重力加速度为g,瓶口的面积为S,在该实验情境中,硬币不受水平方向力的作用。

竖直方向上,硬币受五个力作用。

2.硬币受力分析
a.硬币的重力mg,方向竖直向下;
b.瓶口对硬币的支持力N,方向向上;
c外界大气对硬币的压力F0=P0S,方向下若硬币面积明显大于瓶口面积,只计算瓶口部分的大气压力即可,硬币超出瓶口的部分由于受到的气压大小相等方向相反,可抵消。

d.瓶内气体对硬币的压力F1=P1S,方向向上;
e.瓶口水的表面张力,方向向下,在本实验中可忽略。

可得公式:
初始阶段,瓶内气体压强与大气压强相等,F0=F1,N=mg;当瓶内气体对硬币的压力F,不断增加,N不断减小,当N=0时,硬币被顶起。

3.硬币被顶起的临界值
综合上述两段,硬币被顶起时的临界值为: ,因此即
因此当瓶内气体温度较初始时增加的量为时,硬币开始跳动。

4.影响硬币跳动快慢的因素
随着温度的升髙,瓶内气体的压强P增大,增大到一定值时,硬币跳起,部分气体溢出,n减小,丁在该极短的时间内可认为不变,导致多减小,随即硬币落下。

此过程不断循环,造成了硬币跳舞的现象。

根据以上公式可知,每次硬币被顶起的间隔期,与瓶内气体温度变化的快慢有关.
实验器材
1元硬币(三个),透明玻璃瓶一个,塑料瓶、冰箱,热毛巾,秒表,尺子。

实验步骤
1.首先利用尺子测量硬币的直径与玻璃瓶口的内径,三次测量后取平均值得出,硬币直径和玻璃瓶口内径。

2.玻璃瓶放入冰箱中冷冻后拿出。

在瓶口沾少许水,放上硬币1枚,使硬币将瓶口完全封闭。

3.当硬币开始跳动时,通过秒表读出30S内硬币跳动次数,取下硬币。

4.重复②、③,用手握住玻璃瓶,当硬币开始跳动时,记录下此时温度,读出30S内硬币跳动次数,取下硬币。

5.重复②、③,将玻璃瓶用热毛巾捂住,当硬币开始跳动时,记录下此时温度,
读出30S内硬币跳动次数,取下硬币。

6重复②,在瓶口沾少许水,放上硬币2枚,使硬币将瓶口完全封闭。

用手握住玻璃瓶,当硬币开始跳动时,读出30S内硬币跳动次数,取下硬币
7.重复②,在瓶口沾少许水,放上硬币3枚,使硬币将瓶口完全封闭。

用手握住玻璃瓶,当硬币开始跳动时,读出30S内硬币跳动次数,取下硬币。

实验数据及处理
实验分析
1.为什么要用水润湿玻璃瓶口与硬币?
让硬币与瓶口之间没有缝隙,防止瓶内气体流出
2.硬币为什么会连续跳动而不是跳动一次后就停止跳动?
因为瓶内温度在一段时间内都在不断变化直到与外界温度相同。

3.其他条件相同时,升温方式对硬币跳动次数的影响?
硬币跳动次数增加
4.其他条件相同时硬币质量对跳动次数的影响?
跳动次数减少。