Boyle Mariotte törvényének igazolása szenzoros nyomásmérésel

Átírás

1 Előzetes mérési tapasztalat: A mérés a nyomásmérő szenzor használatában szerzett jártasságot igényel, emellett hasznos a hasonló témájú, hagyományos eszközzel végzett kísérlet is. szükséges előzetes kísérlet: A DT nyomásmérő szenzor használatának megismerése egyszerű kísérleteken keresztül ajánlott előzetes kísérlet: A gáz nyomása és térfogata közötti összefüggés vizsgálata Melde-féle csővel A gázok állapotváltozására irányuló szenzoros és hagyományos méréssorozat általános célkitűzései: A gázok állapotváltozásainak vizsgálata során a tanulók ismerkedjenek meg többféle hagyományos és újszerű mérési módszerrel, klasszikus és digitális eszköz használatával. A Boyle-Mariotte törvényének igazolására irányuló, nyomásmérő szenzorral végzett mérés konkrét célkitűzései: A diákok alkalmazzák a nyomásmérő szenzort a bezárt gáz nyomása és térfogata közötti összefüggés megfigyelésére. Alkalmazzák a kézi mintavételezéssel történő adatgyűjtés módszerét a Multilab szoftver felhasználásával. Exportáljanak adatokat külső programba további feldolgozás céljaira. Javasolt munkaforma: A kísérlet elvégzésére a páros munka a legmegfelelőbb. Eszközszükséglet: 1 db USB-Link mérésadatgyűjtő 1 db tanulói laptop telepített MultiLab szoftverrel 1 db USB kábel a mérésadatgyűjtő csatlakoztatásához 1 db Fourier Pressure nyomás mérő szenzor (DT 015-1) 1 db adatkábel a szenzorhoz 1 db 50ml-es fecskendő 1

2 Eszközismertető A DT Nyomásérzékelő méréshatára kpa. Legegyszerűbben úgy próbálható ki, hogy fecskendőt csatlakoztatunk a kb. 20 cm hosszú átlátszó műanyag cső végén lévő csatlakozóhoz. A kísérlet elvégzéséhez alkalmas 20, 35, 50 vagy 60 ml térfogatú fecskendő, a leírt kísérleteket 50ml-es fecskendővel végeztük. A nyomásmérő szenzort az USB link adatgyűjtőn keresztül csatlakoztatjuk a számítógéphez. Indítsuk el a MultiLab szoftvert, az eszközt automatikusan felismeri a program. A mérést az alapértelmezett beállításokkal kezdjük, a szükséges változtatásokra a mérés meneténél utalunk. A mérési adatok, grafikonok és táblázatok kezelésében segít az adattérkép (Data Map). A név előtti + jelre kattintva kibontjuk az adott méréshez tartozó adatcsomagot, és a méréskor -aktuális beállításainknak megfelelően- megjelenik a vizsgált mennyiség(ek) neve. A megnevezésen jobb gombbal kattintva eldönthetjük, hogy melyik grafikonon (graph#1 vagy graph#2) legyen megjelenítve. A mérések elindítása előtt, majd közben is, rendszeresen érdemes menteni munkánkat, mivel a mérések automatikusan hozzáadódnak ugyan az adatcsomaghoz (ezt látjuk is a Data Mapban), de a program bezárása után a mentetlen adatcsomagok elvesznek. A MultiLab mentése során.mlp kiterjesztésű állományok keletkeznek. Balesetvédelmi figyelmeztetés Gondosan alakítsd ki a mérési környezetet, legyen elegendő hely a kísérlet megvalósításához. Célszerűen helyezd el a laptopot és a kísérleti berendezést egymáshoz képest, legyen lehetőséged a feladatlap kitöltésére is. Figyelj arra, hogy a kábelek ne akadályozzák a munkát. Az éppen nem használt eszközöket az asztal közepén érdemes tárolni. 2

3 A mérés elméleti háttere Boyle-Mariotte törvénye kimondja, hogy állandó hőmérsékleten egy meghatározott tömegű gáz p nyomása fordítottan arányos a gáz V térfogatával. Matematikai alakban kifejezve, a két mennyiség szorzata állandó: p*v=k A k konstans értéke függ a hőmérséklettől, a tömegtől és a gáz természetétől. Ebben a kísérletben egy fecskendőben fogjuk a levegő nyomását megváltoztatni és megmérni a fecskendőhöz közvetlenül csatlakoztatott nyomásérzékelővel. A mérés menete 1. feladat Csatlakoztasd a DT nyomásmérő szenzort az USB Link mérési adatgyűjtőn keresztül a számítógéphez. Vedd kézbe a fecskendőt, állítsd a dugattyút az 50ml-es állásba, majd csatlakoztasd a nyomásmérő szenzor átlátszó, vékony műanyag csövéhez. A mérés megkezdése előtt mentsd el a mérést, az állomány neve Boyle_Mariotte_dt015_1_Diak1Nev_Diak2Nev legyen. Mérés közben is gyakran végezz mentést ugyanezen a néven! A mérést az alapértelmezéstől eltérő beállításokkal végezzük. Az adatgyűjtés kézi mintavételezéssel történik. A Setup wizard segítségével kézi mintavételezést (Select ratemanual) és -a Setup wizard 3. lépésében- a legkisebb mintaszámot (samples=10) érdemes beállítani. 3

4 Kézi mintavételezésnél célszerű a mért értékeket feltüntetni a keletkező grafikonon. Ehhez a Graph menü Properties parancsánál graph1# vagy graph2# kiválasztásával nyisd meg a Format graph párbeszédablakot, ahol a Lines fülre kattintva kapcsold be a jelölőket (Markers Visible). Ha a későbbiekben a skálázást szeretnénk automatikusról rögzített értékűre állítani, akkor azt is ebben a párbeszédablakban, a Scale fül alatt tehetjük meg. 2. feladat Végezzétek el a mérést kézi mintavételezéssel: a fecskendő kiindulási állapota a tartály végénél legyen (ekkor 50ml, légköri nyomású levegőt zárunk a fecskendőbe), a térfogatot 5ml es lépésekkel csökkentsétek! A szokásos módon elindítva a mérést, megjelenik a táblázatban az első adat. A mérőpár egyik tagja kezelje a fecskendőt! Amikor 5ml egységgel elmozdította a dugattyút, akkor szóljon a társának, aki a gomb lenyomásával kiolvassa a szenzor aktuális értékét. Ezt ismételve maximum 10 nyomásérték kerül be a táblázatba; ha a dugattyú helyzete tovább már nem változtatható, akkor a mérés a leállítható. gombbal kevesebb mintavétel után is Például a mintához hasonló grafikon rajzolódik ki: 4

5 Olvasd le, hogy mekkora volt a mért legnagyobb nyomásérték!... Hányszorosa ez a normál légköri nyomásnak?... Hogyan változott a bezárt gáz nyomása, miközben csökkentettük térfogatát? feladat Írd be a szoftverbe a fecskendő beosztása alapján leolvasott térfogat-értékeket! Ezt kézi módszerrel kell megtenni, az alábbi módon: Table menüpont Add manual column parancsával kezdeményezzük meg kell adni a beszúrandó oszlop megnevezését és az adatokhoz tartozó mértékegységet, ezután a képernyő jobboldalán található táblázatba kattintva lehet beírni az adatokat. a fejléc sorait a képernyő baloldalán lévő adattérképen (Data Map) megjelenő feliratok átnevezésével lehet módosítani. 4. feladat A gázok állapotváltozásait gyakran a p-v állapotsíkon szokták megadni, azaz az összetartozó értékpárokat úgy ábrázoljuk, hogy a vízszentes tengelyen a térfogat, a függőlegesen pedig a nyomás értékeit adjuk meg. Ezt a Graph menüpont Edit graph parancsával tudjuk beállítani. Ügyelj arra, hogy mindkét tengely kezdőpontja a 0 érték legyen, ezt a Graph menüpont Properties menüpontban állíthatod be a Scale fül alatt. Az automatikus skála helyett kezdő- és végértéket kell beállítani: a kezdő érték nulla legyen, a végértéket a legnagyobb mért adathoz igazítsd. Az így kapott grafikont a táblázattal együtt nyomtasd ki és csatold a munkafüzethez 5

6 Milyen alakú a kapott grafikon?... Milyen arányosságra jellemző ez a görbe?... Mely mennyiségek változnak a mérés során?... Mely mennyiségek állandóak a mérés során?... Milyen matematikai összefüggés jellemző a fordított arányosságra, fejezd be az alábbi mondatot! Ha két mennyiség egymással fordítottan arányos, akkor feladat A további adatfeldolgozás céljából az adatokat exportálhatók Excelbe is, az alsó grafikoneszköztár segítségével. A táblázatkezelőben képezd a p*v szorzatot! Elfogadható-e a kapott eredmény a fordított arányosság igazolására?... Mi okozhatja azt, hogy nem pontosan egyezik meg a szorzat? Az ismeretek ellenőrzése: 1. Mikor hasznos a kézi mintavételezés a számítógépes adatgyűjtés során? 2. Mit mutat meg a p-v állapotsík? 3. Sorold fel a gáz azon állapothatározóit, amelyek változását vizsgáltuk! 4. Sorold fel a gáz azon állapothatározóit, amelyek állandóságát feltételeztük! 5. Írd le a Boyle-Mariotte törvényt! Használd a következő fogalmakat: hőmérséklet, térfogat és nyomás. Felhasznált szakirodalom: A MultiLab szoftver: A Pressure sensor (0-700 kpa) DT szenzoradatlapja (letölthető: oldalról a pressure_dt015-1_final-12.pdf állomány. 6