Лабораторная работа № 17 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17 .............................................................................................................. 21. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................. 22. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ............................................................................................. 33.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 4УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА ................................................................................................. 4ДАННЫЕ УСТАНОВКИ ....................................................................................................................... 41. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИУСА ШАРИКА ПОД МИКРОСКОПОМ ..............................................

42. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ............................................ 5КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ................................................................................................................... 5ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................................................................ 62Лабораторная работа № 17ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГОТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСАЦель работы: экспериментальное определение коэффициента внутреннего трения жидкости. В работе используется метод Стокса, в соответствии с которымизучается падение шарика небольших размеров в вязкой жидкости.

При движении тела в жидкости или газе на него действует сила сопротивления Fс (РИС. 1).Если скорость тела не слишком велика, то сила сопротивления практически полностью обусловлена внутренним трением в пограничных с телом слоях жидкости.1. Описание установки и метода измеренийНа РИС. 2 показаны силы, действующие на шарик при его движении в одной из испытуемых жидкостей: mg – сила тяжести, FА – сила Архимеда и Fс – сила сопротивления.

Стокс теоретически показал, что сила сопротивления, действующая натело шарообразной формы, которое движется поступательно в жидкости со скоростью v0 , по модулю равнаFc  6πηr v0 ,(1)где η – коэффициент внутреннего трения жидкости, r – радиус шарика.Рис. 1Рис. 2Формула Стокса (1) справедлива лишь при столь малых скоростях v0 тела, чтоv0rρ1/η  1, где ρ1 – плотность жидкости. В начале своего падения в данной средешарик движется с ускорением, так как на него действует равнодействующая сила,отличная от нуля и направленная по вертикали внизF равн  mg  FА  Fс .(2)Движущийся с ускорением шарик увлекает за собой слои жидкости.

Ближайшийиз них как бы прилипает к шарику и имеет скорость, равную скорости самого шарика. Между слоями жидкости, движущимися с различными скоростями v ,непрерывно происходит обмен молекулами, обусловленный их тепловым движе-3нием. Быстрый слой ускоряет медленный, который в свою очередь тормозитбыстрый.

Осуществляется перенос импульса в направлении, перпендикулярномвектору v , в сторону убывания численного значения скорости. Взаимодействиеслоёв между собой описывается силой сопротивления Fс .По мере увеличения скорости шарика растёт численно и сила сопротивления Fс , вто время как силы mg и FА остаются постоянными. Поэтому наступает момент,когда шарик начинает двигаться равномерно с установившейся скоростью v0.Сумма всех сил, действующих на шарик, становится равной нулю, т. е.(3)Fс  mg  FА ,где m – масса шарика, g – ускорение силы тяжести, FA = M1g – сила Архимеда (М1 –4масса испытуемой жидкости в объёме шарика V), M1  ρ1 πr 3 .3Подставляя в выражение (3) значения Fс, mg и FA ,получаем46πηr v0  g  m  M1   gV  ρ  ρ1   g πr 3  ρ  ρ1 3илиη2 r 2( ρ  ρ1 )g.9v0(4)Таким образом, экспериментально найдя значение установившейся скорости v0,измерив радиус шарика, при известных величинах плотности материала шарика ρи испытуемой жидкости ρ1 по формуле (4) можно рассчитать коэффициент внутреннего трения этой жидкости.Испытуемая жидкость заполняет стеклянный плоскодонный цилиндр.

Цилиндрприкрыт пробкой с осевым отверстием, сквозь которое шарик попадает в испытуемую жидкость. Диаметр шарика предварительно измеряется с помощью микроскопа.Микроскоп имеет окулярный микрометр, цена деления которого указана на приборе. На установке имеется линейка, по которой могут перемещаться указатели В– верхний и Н – нижний. С помощью указателей В и Н измеряется расстояние l,проходимое шариком при равномерном движении шарика с установившейся скоростью. Время падения шарика τ между указателями В и Н измеряется секундомером. Скорость движения шарика вычисляется по формулеlv0  .τНа установке смонтированы два цилиндра с различными жидкостями. Выборжидкости для исследования – по указанию преподавателя.2.

Порядок выполнения работы1. Записать температуру опыта по термометру, имеющемуся в лаборатории.2. Записать данные установки (ρ и ρ1).3. Измерить диаметры шариков под микроскопом. Измерение для каждого шарика произвести не менее трех раз. Данные занести в ТАБЛ. 1. Для расчётов по формуле (4) воспользоваться средним значением радиуса шарика r .44. Установить указатели В и Н на расстоянии l = 30 см друг от друга, при этомверхний указатель В должен быть ниже уровня жидкости в цилиндре не менеечем на 5 см.5.

Включить установку. При этом должна загореться подсветка.6. Проверить, находится ли стрелка секундомера на нуле.7. Опустить шарик в цилиндр с испытуемой жидкостью.8. Включить секундомер в момент прохождения шариком верхнего указателя В.9. Выключить секундомер в момент прохождения шариком нижнего указателя Н.Записать значение τ и вновь установить стрелку секундомера на нуль.10. Повторить ПП.

7-9 для каждого шарика и записать l и τ в ТАБЛ. 2. По согласованию с преподавателем расстояние l в этих опытах можно изменять, перемещаяуказатели В и Н.3. Обработка результатов измеренийУсловия проведения опытаТемпература опыта t = …  …; T = …  …Данные установкиПлотность материала шарика ρ = …  …Плотность жидкости ρ1 = …  … (см. ПРИЛОЖЕНИЕ)1. Измерение радиуса шарика под микроскопомТаблица 1№ шарикаd1r1d2r2d3r312345Находим среднее значение r:3rrii 1.3Для одной из серии из трёх измерений находим Δrсл:3Δdсл  4,3Δrинс Δdинс2 Δdi 1322i; Δdинс = ...;; r  r  Δr , Р = 0,95.ririΔri252. Измерение коэффициента внутреннего тренияТаблица 2№ п/пl, смτ, сv0j12345ηjΔlинс = …; Δτинс = …; Δτсл = …3.

Рассчитать коэффициент внутреннего трения жидкости по данным пяти опытов:5ηj2 r 2( ρ  ρ1 )gj 1ηj ; η.9v0 j 5Для того чтобы можно было пренебречь погрешностью величины g, следует врасчетах использовать значение g = 9,8156 м/с2.4. Рассчитать абсолютную погрешность Δη для одной из серий измерений изформулы Δη j ηj22222 Δr  (Δρ)  (Δρ1 )  Δv0   4    ,( ρ  ρ1 )2 r  v0 где222 Δv0   Δl   Δτ      .v 0   l   τ 5. Окончательный результат измерений записать в формеη  η  Δη , t = ..., Т = ...6. Убедиться в справедливости применения формулы Стокса (1) проверкой соотношения v0rρ1/η << 1. Сделать вывод о корректности проведения эксперимента.Контрольные вопросыКакие силы действуют на шарик при его движении в жидкости?При каких условиях движение шарика в жидкости является установившимся?Сформулировать закон Ньютона для внутреннего трения.Дать определение коэффициента внутреннего трения (вязкости).Как зависит коэффициент внутреннего трения жидкости от температуры?Написать формулу, используемую в данной работе для расчёта коэффициентавнутреннего трения.7.

В каких единицах измеряется коэффициент внутреннего трения?8. Почему внутреннее трение относится к явлениям переноса?9. Какова природа сил внутреннего трения в газах и жидкостях?1.2.3.4.5.6.6ПриложениеТаблица 315Касторовое маслокгкгη,ρ, 3мсм962,71,940Вазелиновое маслокгкгη,ρ, 3мсм882,14,0510–316962,01,780881,53,7810–317961,41,640880,83,5710–318960,71,520880,13,5510–319960,01,400879,53,1610–320959,41,300878,83,0010–321958,71,210878,02,8310–322958,01,120877,42,6810–323957,41,040876,72,5310–324956,70,960876,02,3910–325956,00,880875,42,2510–3t, °C.