Описание установки и методика измерения

Лабораторная установка состоит из стеклянного цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью. Метод Стокса по определению коэффициента вязкости жидкости состоит в измерении скорости падения шарика в жидкости. Путь, проходимый шариком, измеряют миллиметровой линейкой, наклеенной на цилиндр, а время падения – секундомером.

При падении шарика в жидкости к нему прилипает слой жидкости, движущийся вместе с ним. Следующие слои движутся с меньшей скоростью, и эта скорость по модулю будет тем меньше, чем дальше находится слой от движущегося шарика. Между этими слоями вдоль их поверхности и возникает сила трения. Стокс определил силу трения, действующую на шары, при сравнительно небольших скоростях:

, (6)

где - скорость движения шарика, - радиус шарика, - коэффициент вязкости жидкости.

Рассмотрим силы, действующие на шарик, падающий вертикально в жидкости (рис. 2)

1. Сила тяжести , направленная вертикально вниз; масса шарика ( - плотность вещества шарика, - радиус шарика);

2. Выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх.

, , где - плотность жидкости.

3. Сила трения , направленная в сторону, противоположную направлению движения, то есть вертикально вверх.

Сила тяжести и сила Архимеда не зависят от скорости движения шарика, а сила трения возрастает с увеличением скорости. В начале, когда > , шарик движется с ускорением, увеличивая скорость, а, следовательно, и увеличивается . По достижении некоторой определенной скорости, сила трения и выталкивающая сила в сумме уравновешивают силу тяжести, и с этого момента шарик начнет двигаться равномерно, то есть с постоянной скоростью

,

откуда .

Подставляя скорость равномерного движения , получим формулу:

, (7)

где - путь, - время равномерного движения шарика в жидкости.

Выполнение работы

1. Измерить микрометром диаметр шарика. Измерения для каждого шарика проделать несколько раз (не менее трех) в разных положениях. Найти среднее значение радиуса шарика.

2. Опустить шарик в цилиндр с исследуемой жидкостью так, чтобы он падал посередине сосуда. С помощью секундомера измерить время падения шарика, начиная с расстояния 3…5 см от поверхности жидкости и до дна сосуда. Сначала падение шарика в жидкости ускоренное, а, начиная с глубины 3…5 см, становится равномерным. Время записать в таблицу.

3. Измерить путь , пройденный шариком при равномерном движении в жидкости.

4. Аналогичные измерения проделать с другими шариками.

5. По формуле (7) вычислить коэффициенты вязкости для каждого опыта. Определить среднее значение .

6. Найти для каждого опыта по среднему значению абсолютную погрешность , а затем среднее значение .

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

8. Записать выводы и результат в виде: .

Таблица измерений и вычислений

= 11300 1260
№ п/п				, м

Контрольные вопросы

1. Какие явления относятся к явлениям переноса? Почему они объединены одним названием?

2. Что называется вязкостью?

3. Как возникают силы внутреннего трения и как они направлены?

4. Каков физический смысл коэффициента вязкости и единица его измерения в СИ?

5. Записать коэффициент вязкости через микроскопические характеристики и по этой формуле проверить его единицу измерения в СИ.

6. В чем состоит метод Стокса по определению вязкости жидкости?

7. Во сколько раз будут отличаться скорости равномерного падения двух шариков из одного материала, у которых радиусы отличаются вдвое ( )?

Лабораторная работа № 2