10. Обновлённая виртуальная лабораторная работа по физике «Определение заряда электрона и числа Фарадея» - https://efizika.ru/html5/10/index.html.

Цель работы: определить заряд электрона и число Фарадея.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна с раствором медного купороса, выпрямитель, амперметр, реостат, электронные весы,  соединительные провода, электронный блок управления с секундомером, блок с начальными параметрами электролиза, блок с набором электродов: медь, никель, кобальт, железо, хром.

10. Updated virtual laboratory assignments in physics «Determination of the electron charge and the Faraday number» - https://efizika.ru/html5/10/indexe.html.

The purpose of the work is to determine the electron charge and the Faraday number.

Devices and accessories: an electrolytic bath with a solution of copper sulfate, a rectifier, an ammeter, a rheostat, electronic scales, connecting wires, an electronic control unit with a stopwatch, a unit with initial parameters of electrolysis, a unit with a set of electrodes: copper, nickel, cobalt, iron, chrome.

Тема: Определение заряда электрона и числа Фарадея

Виртуальная лаборатория: http://efizika.ru/html5/10/index.html

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное определение фундаментальных физических констант — элементарного электрического заряда (заряда электрона) e и постоянной Фарадея F — с использованием явления электролиза раствора медного купороса (CuSO4).

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Электролизом называется процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. В данном эксперименте используется раствор медного купороса, в котором под действием электрического поля ионы меди (Cu2+) движутся к отрицательному электроду (катоду) и восстанавливаются, оседая на нем в виде чистой меди.

Согласно первому закону Фарадея, масса вещества m, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока I и времени его прохождения t:

m = k * I * t

где k — электрохимический эквивалент вещества (масса вещества, выделяемая при прохождении через электролит 1 кулона электричества).

Согласно второму закону Фарадея, электрохимический эквивалент прямо пропорционален молярной массе вещества M и обратно пропорционален валентности n и постоянной Фарадея F:

k = M / (F * n)

Постоянная Фарадея F численно равна электрическому заряду, который переносится одним молем одновалентных ионов. Это фундаментальная константа, связывающая электрические и химические явления.

Объединяя оба закона, получаем рабочую формулу:

m = (M * I * t) / (F * n)

Из этой формулы выражаем постоянную Фарадея:

F = (M * I * t) / (m * n)

Для меди (Cu) молярная масса составляет:
M = 0.0635 кг/моль

Валентность ионов меди в растворе медного купороса:
n = 2

Зная постоянную Фарадея F и число Авогадро NA (количество частиц в одном моле вещества), можно вычислить заряд одного электрона:

F = NA * e

e = F / NA

где
NA = 6.022 * 10^23 моль^-1

Таким образом, определив экспериментально массу меди, выделившейся на катоде за известное время при известной силе тока, можно рассчитать постоянную Фарадея, а затем и заряд электрона.

3. ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Виртуальная лаборатория представляет собой интерактивную модель реальной экспериментальной установки, включающую следующие элементы:

1. Электролитическая ванна — прозрачный сосуд, заполненный раствором медного купороса. В ванну погружены два электрода: катод (отрицательный) и анод (положительный). По умолчанию в работе используется медный катод, на котором происходит осаждение чистой меди.

2. Выпрямитель (источник постоянного тока) — обеспечивает подачу постоянного электрического тока в цепь.

3. Амперметр — измерительный прибор для контроля силы тока в цепи. Показания амперметра отображаются в цифровом или стрелочном виде.

4. Реостат — регулятор сопротивления, позволяющий плавно изменять силу тока в цепи. Управляется перемещением ползунка.

5. Электронные весы — предназначены для точного взвешивания катода до и после проведения электролиза. В виртуальной среде для взвешивания необходимо перетащить электрод на платформу весов.

6. Электронный блок управления с секундомером — устройство, которое автоматически запускает отсчет времени при подаче тока и останавливает его при завершении процесса. Позволяет точно фиксировать длительность электролиза.

7. Блок с начальными параметрами — отображает исходные данные эксперимента (например, начальную массу катода, тип электролита).

8. Набор электродов — позволяет выбирать различные материалы электродов, но для данной работы используется медь.

9. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Перед началом эксперимента необходимо выполнить следующие подготовительные действия:

4.1. Перейдите по ссылке http://efizika.ru/html5/10/index.html и дождитесь полной загрузки виртуальной лаборатории.

4.2. Визуально ознакомьтесь с расположением всех элементов управления: кнопка запуска процесса, регулятор реостата, индикаторы амперметра и секундомера.

4.3. Убедитесь, что в электролитической ванне установлены медные электроды. При необходимости выберите медный катод из предложенного набора.

4.4. Проведите начальное взвешивание катода. Для этого перетащите катод на платформу электронных весов. Запишите показания весов как начальную массу m1 в таблицу измерений. Единица измерения — килограммы (кг).

4.5. Верните катод в электролитическую ванну, убедившись в надежности контакта.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для повышения точности определения искомых величин эксперимент проводится не менее трех раз с различными режимами электролиза (изменение силы тока или времени).

5.1. Проведение первого опыта

5.1.1. Установка силы тока. С помощью реостата установите значение силы тока I1 в пределах 1–2 ампер (конкретное значение определяется возможностями виртуальной установки). Зафиксируйте значение I1 по амперметру и запишите в таблицу.

5.1.2. Запуск процесса. Нажмите кнопку «Пуск» или «Старт». При этом одновременно замкнется электрическая цепь и начнется отсчет времени на секундомере. Наблюдайте начало процесса электролиза — на катоде начнет выделяться медь.

5.1.3. Проведение электролиза. Поддерживайте выбранную силу тока неизменной в течение всего времени опыта. Рекомендуемая продолжительность электролиза t1 составляет от 600 до 1200 секунд (10–20 минут). Точное время фиксируется по секундомеру.

5.1.4. Остановка процесса. По истечении заданного времени нажмите кнопку «Стоп». Секундомер остановится, подача тока прекратится.

5.1.5. Извлечение катода. Извлеките катод из электролитической ванны. В виртуальной среде это действие выполняется перетаскиванием электрода.

5.1.6. Повторное взвешивание. Поместите катод на электронные весы. Запишите показания как конечную массу m2 в таблицу измерений.

5.1.7. Вычисление массы осадка. Рассчитайте массу меди, выделившейся на катоде за время опыта:
Delta m1 = m2 - m1
Результат занесите в таблицу.

5.2. Проведение второго опыта

Перед началом второго опыта необходимо вернуть катод в исходное состояние (сбросить массу осадка). В виртуальной лаборатории это обычно реализовано кнопкой «Сброс» или автоматически при выборе нового режима. Повторите действия, изменив один из параметров:

Вариант А (изменение силы тока): Установите другое значение силы тока I2 (например, увеличив его в 1.5–2 раза), сохранив время электролиза t2 = t1.

Вариант Б (изменение времени): Сохраните силу тока I2 = I1, но увеличьте продолжительность электролиза t2 > t1 (например, в 1.5–2 раза).

Выполните взвешивание катода до и после опыта, вычислите Delta m2.

5.3. Проведение третьего опыта

Аналогично проведите третий опыт, изменив параметры относительно первых двух. Например, если во втором опыте увеличивалась сила тока, то в третьем увеличьте время, и наоборот. Это позволит получить три независимых значения искомых величин для последующего усреднения.

6. ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Все экспериментальные данные заносятся в таблицу следующего вида:

+---------+----------------+------------+------------------------+--------------------------+-------------------------------+
| № опыта | Сила тока I, А | Время t, с | Масса катода до m1, кг | Масса катода после m2, кг | Масса осадка Delta m = m2 - m1, кг |
+---------+----------------+------------+------------------------+--------------------------+-------------------------------+
| 1 | | | | | |
+---------+----------------+------------+------------------------+--------------------------+-------------------------------+
| 2 | | | | | |
+---------+----------------+------------+------------------------+--------------------------+-------------------------------+
| 3 | | | | | |
+---------+----------------+------------+------------------------+--------------------------+-------------------------------+

7. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

7.1. Расчет числа Фарадея для каждого опыта

Для каждого опыта вычислите постоянную Фарадея по формуле:

F = (M * I * t) / (Delta m * n)

Подставляя значения:
M = 0.0635 кг/моль
n = 2

получим:
F = (0.0635 * I * t) / (Delta m * 2)

или
F = (0.03175 * I * t) / Delta m

Выполните вычисления для каждого опыта и запишите результаты:

F1 = (0.03175 * I1 * t1) / Delta m1
F2 = (0.03175 * I2 * t2) / Delta m2
F3 = (0.03175 * I3 * t3) / Delta m3

7.2. Вычисление среднего значения числа Фарадея

Найдите среднее арифметическое полученных значений:

Fср = (F1 + F2 + F3) / 3

7.3. Расчет заряда электрона

Используя значение числа Авогадро NA = 6.022 * 10^23 моль^-1, вычислите заряд электрона:

e = Fср / NA

e = Fср / (6.022 * 10^23)

7.4. Оценка погрешности (сравнение с табличными значениями)

Сравните полученные экспериментальные значения с теоретическими:

Теоретическое число Фарадея: Fтабл = 96500 Кл/моль
Теоретический заряд электрона: eтабл = 1.602 * 10^-19 Кл

Вычислите относительную погрешность для каждой величины:

epsilon_F = (|Fтабл - Fср| / Fтабл) * 100%

epsilon_e = (|eтабл - e| / eтабл) * 100%

8. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОД

В выводе необходимо отразить:

8.1. Каким методом (электролиз раствора медного купороса) были определены фундаментальные константы.

8.2. Полученные числовые значения:

• Экспериментальное значение числа Фарадея Fср = ... Кл/моль

• Экспериментальное значение заряда электрона e = ... Кл

8.3. Сравнение с табличными значениями и величину относительной погрешности.

8.4. Вывод о подтверждении законов электролиза Фарадея и возможности определения фундаментальных констант с помощью электролиза.

Пример вывода:

В ходе выполнения виртуальной лабораторной работы методом электролиза раствора медного купороса были определены постоянная Фарадея и заряд электрона. Среднее значение числа Фарадея составило Fср = 96200 Кл/моль, что отличается от табличного значения на 0.3%. Заряд электрона, рассчитанный на основе полученного значения, составил e = 1.598 * 10^-19 Кл, что отличается от табличного на 0.25%. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с теоретическими значениями, что подтверждает справедливость законов электролиза Фарадея и демонстрирует возможность определения фундаментальных физических констант с помощью относительно простого эксперимента.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (для защиты работы)

9.1. Сформулируйте первый и второй законы Фарадея для электролиза.

9.2. Что называется электрохимическим эквивалентом вещества?

9.3. Каков физический смысл постоянной Фарадея?

9.4. Как изменится масса выделившейся меди на катоде, если увеличить время электролиза в 2 раза при неизменной силе тока?

9.5. Почему для определения заряда электрона используется именно медь (почему важно знать валентность и молярную массу)?

9.6. Какие источники погрешности могут возникать в данном эксперименте даже в виртуальной модели?

10. ПРИМЕЧАНИЯ ПО РАБОТЕ С ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ

10.1. Для взвешивания катода необходимо перетащить его с помощью мыши на платформу весов.

10.2. Секундомер запускается автоматически при подаче тока и останавливается при его отключении.

10.3. Катод — это отрицательный электрод, на котором происходит осаждение меди. В лабораторной установке он обычно подключается к клемме со знаком «минус».

10.4. Перед каждым новым опытом необходимо сбрасывать массу катода до начального значения с помощью кнопки «Сброс» или аналогичной.

10.5. Если в процессе работы показания амперметра изменяются, необходимо с помощью реостата поддерживать силу тока постоянной на протяжении всего опыта.