Порядок выполнения работы. Порядок выполнения работы

Порядок выполнения работы

Прибор для определения вязкости жидкости по методу Стокса представляет собой стеклянный цилиндр, заполненный испытуемой жидкостью. На цилиндр наносятся две метки - резиновые кольца (рис. 2, а, б). Верхняя метка отмечает начало равномерного движения шарика. Цилиндр закрыт крышкой, имеющей отверстия в середине и около стенки, через которые бросают шарики.

При определении коэффициента внутреннего трения жидкости по методу падающего шарика рекомендуется следующий порядок выполнения работы:

1. Записать плотность жидкости r.

2. Микрометром измерьте диаметр шарика (не менее трех раз).

3. Определите плотность вещества, из которого сделан шарик r₂ при помощи таблицы плотностей. Шарик сделан из свинца.

4. Определить массу шарика, как произведение плотности на объем.

5. Измерьте расстояние l между метками a и б.

6. Пинцетом опустите шарик через отверстие в крышке в жидкость. После установления равномерного движения измеряют время t, за которое шарик проходит расстояние l между метками. В момент прохождения верхней метки запустите секундомер, а в момент прохождения нижней - выключите его. Во избежание ошибки на параллакс глаз наблюдателя должен быть установлен в плоскости этой метки (при этом мы видим прямую линию). Рассчитайте значение v_o.

7. Измерение h проведите с 3 шариками. Результаты измерений занесите в таблицу 2. Произведите расчет h по формуле (8). Рассчитайте h_ср.

8. Для каждого значения h определите абсолютную погрешность Dh, как разность между h_ср и данными значениями h, а затем вычислите Dh_ср. Необходимо определить также относительную погрешность в определении h.

Таблица 2

№ опыта	№ п/п	m, г	r, см	V, см3	r2, г/см3	l, см	t, с	v0=l/t, см/с	h, Пз	Dh, Пз
шарик
Среднее значение
шарик
Среднее значение

Коэффициент внутреннего трения сильно зависит от температуры. Но так как количество жидкости в цилиндре довольно велико, а измерения происходят быстро, температура жидкости за время измерений практически не успевает измениться. Поэтому определение h по методу Стокса при комнатной температуре может производиться без термостатирования прибора, но в отчете следует указать, при какой температуре производились измерения.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.I. - М.: Наука, 1987.

2. Архангельский М.М. Курс физики (механика). - М.: Просвещение, 1975. Гл. ХШ.

3. Грабовский Р.И. Курс физики.-М.: Высшая школа, 1980. § 60.

4. Мэрион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. - М.: Высшая школа, 1986. Гл. 7.

Для получения зачета необходимо

1. Продемонстрировать умение определять коэффициент вязкости жидкости по методу Стокса.

2. Представить отчет по установленной форме.

3. Уметь отвечать на вопросы типа:

а) Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкости?

б) Почему, начиная с некоторого момента времени, шарик движется равномерно?

в) Объясните, почему скорость тела, падающего с большой высоты, не превышает определенного установившегося значения?

г) Как изменится скорость движения шарика с увеличением его диаметра?

д) Рассчитайте коэффициент вязкости по формуле (9). Сравните полученный результат с вашими данными. Нужно ли вводить поправочный коэффициент в формулу (8) в ваших измерениях?

е) От чего зависит сила сопротивления движению шарика в жидкости?

ж) Для каких тел и какого движения справедлива формула Стокса?

з) Почему скорость слоя жидкости, прилегающего к цилиндру, равна нулю?

и) В чем состоит характерная особенность турбулентного движения жидкости (отличающая его от ламинарного движения)?

Работа № 5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА

Цель работы: используя метод отрыва кольца, определить экспериментально коэффициент поверхностного натяжения исследуемых жидкостей.

Принадлежности: прибор для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, штангенциркуль, набор разновесов, пинцет, термометр, набор исследуемых жидкостей.

Вопросы, знание которых обязательно для допуска

К выполнению работы

1. Каково строение жидкости согласно молекулярной теории?

2. Объясните, что значит "ближний порядок".

3. Что такое поверхностный слой жидкости? Почему он обладает свойствами, отличными от свойств остальной массы жидкости?

4. Что такое поверхностное натяжение? По какому направлению действует сила поверхностного натяжения?

5. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения жид­кости? В каких единицах он выражается? (Дать два определения: силовое и энергетическое).

6. Как зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости от температуры? Объясните ответ.

7. Можно ли определить коэффициент поверхностного натяжения, если жидкость не смачивает кольцо?

8. В чем заключается метод отрыва кольца при определении коэффициента поверхностного натяжения?

В в е д е н и е

Жидкое состояние является промежуточным между твердой и газообразной фазами. Характер теплового движения молекул в жидкостях существенно отличается от движения молекул как в газах, так и в твердых телах. В газах среднее расстояние между соседними молекулами значительно больше их диаметра. Поэтому при тепловом движении молекулы движутся хаотически. В твердых кристаллических телах молекулы расположены в правильном периодическом порядке и составляют кристаллическую решетку. Этот порядок сохраняется на далекие расстояния (миллионы молекулярных расстояний). Такой порядок называется "дальним порядком". Тепловое движение молекул в твердых телах сводится к их колебаниям около положения равновесия. В жидкостях расстояние между соседними молекулами несколько больше, чем у кристаллов, в связи с чем молекулы жидкости могут отходить от своих правильных положений, расстраивая идеальный порядок, свойственный кристаллам. Молекулы жидкости связаны силами Ван-дер-Ваальса, которые, с одной стороны, недостаточны для осуществления постоянной и прочной структуры, однако, с другой стороны, под их действием молекулы уже не могут сохранять той самостоятельности и подвижности, которые характерны для газов. Тепловое движение молекул в жидкости сводится к тому, что они большую часть времени колеблются около своих положений равновесия. С увеличением температуры возрастает амплитуда колебаний, а также частота пе­рескоков в новое состояние равновесия. Поскольку расстояния между соседними молекулами в жидкости все-таки малы, то в жидкости сохраняется так называемый "ближний порядок", т.е. порядок в расположении ближайших соседей какой-либо молекулы. Этот порядок размывается по мере удаления от данной молекулы, иными словами, силы сцепления молекул весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии 10^-7 см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь. Это предельное расстояние называется радиусом молекулярного действия.

Поверхностный слой жидкости обладает свойством сокращаться. Этим объясняется тот факт, что жидкость, свободная от действия других сил, принимает форму шара (форму с минимальной поверхностью). Особенности поверхностного слоя можно объяснить с двух позиций: 1 -энергетической и 2 - динамической.

1. Молекулы жидкости, выходя на поверхность, совершают работу против сил (со стороны остальных молекул), стремящихся вернуть молекулы обратно внутрь жидкости. Эта работа переходит в запас потенциальной энергии молекулы поверхностного слоя. Поверхностный слой обладает запасом потенциальной энергии, пропорциональной размерам поверхности. Любая система стремится к такому состоянию, при котором ее потенциальная энергия поверхностного слоя будет минимальна, т.е. принимает форму с минимальной энергией. Если над жидкостью имеются пары, то работа выхода молекулы на поверхность будет уменьшаться с ростом упругости пара (т.е. с ростом температуры). При критической температуре, когда плотности жидкости и пара неразличимы, работа выхода молекулы равна нулю: поверхностного слоя нет.

2. Если молекула занимает положение I, при котором вся сфера ее действия заполнена другими молекулами той же жидкости, то относительно молекулярных сил, действующих на нее, она находится в равновесии, так как равномерно притягивается во все стороны. Это равновесие нарушается, когда молекула находится у поверхности жидкости на глубине, меньшей радиуса молекулярного действия (например, молекула II на рис. 1). На молекулу поверхностного слоя действуют молекулы жидкости и пара, причем со стороны пара эти силы невелики, так как плотность пара (а следовательно, концентрация молекул) меньше, чем у жидкости. Каждую силу можно разложить на две составляющие: по нормали к поверхности и вдоль последней. Сумма составляющих сил, направленных перпендикулярно поверхности, определит силу давления поверхностного слоя на жидкость; сумма касательных составляющих дает силу, действующую вдоль поверхности жидкости. Силы, действующие по касательной, называют силами поверхностного натяжения. Именно они обусловливают сокращение поверхности. Эта сила пропорциональна числу молекул, прилегающих к контуру, которое, в свою очередь, пропорционально длине контура.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводится коэффициент поверхностного натяжения s, который численно равен силе F , действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

s = . (1)

Коэффициент поверхностного натяжения s зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с ростом последней), от степени чистоты поверхности, меняясь от малейшего загрязнения. Выражение для определения s можно представить и в несколь­ко иной форме. Если числитель и знаменатель в (1) умножим на l , то получим

s = . (2)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения s численно равен работе, которую нужно затратить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения s измеряется в Н×м^-1 или в Дж×м^-2.

Существует много способов определения величины коэффициента поверхностного натяжения. В настоящей работе предлагается определить коэффициент поверхностно­го натяжения для воды и мыльного раствора методом отрыва кольца.

Сущность метода состоит в том, что поверхностное натяжение можно определить путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва кольца от этой поверхности. Поскольку отрываемое кольцо смачивается жидкостью, то вместе с ним поднимается количество жидкости, т.е. будет увеличиваться свободная поверхность жидкости. Вследствие стремления этой жидкости сократиться возникает сила поверхностного натяжения. Если сила, действующая на тело, равна по величине силе поверхностного натяжения, то тело отрывается от жидкости.

Рассмотрим кольцо с наружным диаметром D и толщиной d, касающееся поверхности жидкости (рис. 2). При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверхностью воды образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой s×p×D, внутренняя поверхность также тянет вниз с силой s×p×(D-2d).

Результирующая сила, удерживающая кольцо, равна:

s×p×D + s×p×(D – 2d) = 2s×p×(D – d) (3)

В момент отрыва кольца

F = 2s×p×(D – d),

откуда

s = . (4)

Порядок выполнения работы

Поскольку диаметр и толщина кольца могут быть измерены штангенциркулем, то определение коэффициента поверхностного натяжения сводится к определению силы отрыва F. Для измерения этой силы служит следующая установка (рис. 3). Против зеркальной шкалы Nна специальной пружине В подвешен указатель С, чашечка A и тонкостенное кольцо К, которое хорошо смачивается данной жидкостью. Кольцо должно висеть строго горизонтально. Кольцо приводится в соприкосновение с поверхностью жидкости в сосуде путем передвижения последнего вместе со столиком Р. При этом жидкость может подниматься по стенкам кольца, а само коль­цо несколько втянется внутрь жидкости. Этот эффект можно заметить по небольшому растяжению пружины в момент соприкосновения кольца с поверхностью воды.

Начнем теперь медленно опускать платформу с сосудом. По мере опускания кольца пружина будет постоянно растягиваться, пока, наконец, кольцо не оторвется от поверхности воды. В этот момент сила упругости пружины F_пр сравняется в силой поверхностного натяжения жидкости 2s×p×(D – d). При растяжении пружины глаз всё время необходимо удерживать на уровне указателя С и отмечать деление шкалы N, с которым совпадает указатель в момент отрыва кольца. Затем, осушив кольцо, кладут на чашечку A такой груз, чтобы указатель занял положение, соответствующее среднему отсчету по шкале в момент отрыва кольца. Величина Р = mg измеряет упругую силу F_пр пружины, нужную для отрыва кольца от жидкости. Для определения коэффициента поверхностного натяжения s рекомендуется следующий порядок работы:

1. Измерить штангенциркулем внешний диаметр D и толщину стенок кольца d.

2. Опустить кольцо в сосуд с испытуемой жидкостью. Платформу с сосудом поднимают до тех пор, пока кольцо не коснется жидкости.

2. Медленно и плавно опуская вниз платформу с сосудом, отметить положение указателя С на зеркальной шкале N при отрыве кольца.

4. Убрать сосуд с жидкостью. Загрузить в чашку такой груз, чтобы указатель С показывал столько же делений на шкале, как и в момент отрыва кольца.

Опыт проводят не менее 5 раз. Затем необходимо вычислить коэффициент поверхностного натяжения s по формуле (4) и занести результат в таблицу.