Студентам необходимо внимательно ознакомиться с методическими указаниями к лабораторной работе, которая будет выполняться ими на занятии.




При изучении методических указаний студенты должны обратить внимание на такие вопросы, как цель работы, приборы и материалы, которые используются в ходе работы, теоретическое обоснование метода измерения, вывод расчетной формулы, последовательность действий при выполнении работы, вычисление погрешностей. На эти вопросы студент должен уметь ответить при сдаче отчета о выполнении работы.

При подготовке к работе составляется бланк отчета.

Отчет по лабораторной работе оформляется по предлагаемой схеме: титульный лист оформляется согласно приложению 1, далее, в случае прямых измерений оформление ведется по приложению 2, для косвенных измерений – по приложению 3.

Бланк отчета оформляется на двойном тетрадном листе. При подготовке к работе необходимо записать тему работы (п.1), зарисовать принципиальную схему лабораторной установки (п.2), записать расчетную формулу (п.3) и начертить таблицу измерений (п.4), куда в ходе работы будут записываться данные. Дальнейшее оформление отчета проводится в ходе лабораторной работы.

Выполнение лабораторной работы.

Перед работой студент должен получить допуск к работе. Для этого необходимо иметь бланк отчета, заполненный до п.4 (до таблицы измерений), нужно ответить на несколько вопросов по теоретическому введению и лабораторной установке, по порядку выполнения работы. Соответствующая отметка о допуске ставится преподавателем на титульном листе отчета. Получив допуск, студент может приступать к выполнению работы, при выполнении которой необходимо строго соблюдать правила техники безопасности, бережно относиться к оборудованию в лаборатории. После окончания работы свое рабочее место привести в порядок.

Оформление и сдача отчета по лабораторной работе.

После выполнения лабораторной работы отчет оформляется полностью. Необходимо:

1. заполнить таблицу результатов измерений и вычислений (п.4);

2. рассчитать погрешность и точность измерений (п.5-8);

3. записать и проанализировать окончательный результат (п.9).

Бланк отчета с результатами измерений и вычислений показывается преподавателю, который отмечает на титульном листе выполнение работы.

Каждая работа должна быть сдана в установленный учебным планом срок. При сдаче отчета по лабораторной работе необходимо:

 

  ЗНАТЬ:   УМЕТЬ:
1. Тему и цель работы. 1. Отвечать на контрольные вопросы
2. Устройство и принцип работы приборов и установок. 2. Объяснять принцип работы приборов и пользоваться ими.
3. Физический смысл величин, используемых в теме данной работы, их формулы и единицы измерения. 3. Давать определение понятий физических величин, основных законов.
4. Вывод расчетной формулы. 4. Вычислять погрешности измерений.
5. Порядок выполнения работы. 5. Анализировать и обобщать полученные результаты.
6. Основные понятия теории погрешностей измерений.    

Техника безопасности

И правила поведения в физической лаборатории.

 

На рабочее место следует брать только то, что необходимо для выполнения лабораторной работы.

Категорически запрещается переносить приборы с одного рабочего места на другое.

В физической лаборатории следует строго соблюдать требования техники безопасности.

1. Прежде чем пользоваться прибором, нужно изучить его устройство и правила работы с ним (по методическим указаниям).

2. Никогда не пробуйте самостоятельно исправлять неисправные приборы – (их можно испортить еще больше). О неисправности прибора нужно доложить преподавателю или лаборанту.

3. Собранную электрическую цепь не подключайте к источнику тока до проверки ее преподавателем или лаборантом.

4. Категорически запрещается пользоваться оголенными проводниками.

5. После проведения измерений электрическая цепь должна быть разомкнута.

6. После выполнения лабораторной работы и одобрения полученных результатов преподавателем рабочее место приведите в порядок.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.1

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ

(ВЯЗКОСТИ) ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА.

 

Цель: познакомиться с понятиями ламинарного и турбулентного течений,

явлением внутреннего трения жидкости, научиться определять

коэффициент вязкости, используя метод Стокса.

 

Приборы и материалы: стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью на

подставке, мелкие свинцовые шарики, электросекундомер,

микрометр, масштабная линейка.

 

 

Теоретическое введение.

На всякое тело, двигающееся в вязкой жидкости, действует сила сопротивления. В общем случае величина этой силы зависит от многих факторов: от внутреннего трения жидкости, от формы тела, от характера обтекания и т.д.

Ламинарное (от лат. lamina - слой) течение – течение жидкости, при котором частицы жидкости движутся вдоль прямолинейных траекторий, не перемешиваясь. Такое течение наблюдается при отсутствии внешних воздействий в потоках, движущихся с малыми скоростями.

Когда скорость течения становится значительной, вначале возле стенок трубы, а затем и по всему объему, возникают беспорядочные завихрения жидкости – происходит перемешивание слоев. Такое течение называется турбулентным (от лат. turbulentus - беспорядочный).

Английский ученый О.Рейнольдс в 1883г., исследуя течения жидкостей и газов, обнаружил, что характер их течения зависит от значения безразмерной величины:

,

называемой числом Рейнольдса. Здесь ρ – плотность жидкости, υ – средняя скорость потока, d – диаметр трубы, η – коэффициент вязкости.

При малых значениях числа Рейнольдса течение является ламинарным, а при больших – турбулентным.

При ламинарном течении жидкость может быть представлена в виде слоев, которые скользят один относительно другого. Такое течение стационарно. При движении слоев жидкости с различными скоростями между ними возникают касательные силы, называемые силами внутреннего трения или силами вязкости.

Внутренние трение(вязкость) – свойство жидкости и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Слой газа или жидкости, движущийся быстрее, ускоряет более медленный слой, который в свою очередь, тормозит более быстрый слой.

Причиной внутреннего трения является наложение упорядоченного движения слоев газа с различными скоростями, и теплового хаотического движения молекул со скоростями, зависящими от температуры. При этом наложении происходит перенос импульсов упорядоченного движения молекул в направлении, перпендикулярном слоям, причем, перенос неравноправный.

Явление внутреннего трения описывается законом Ньютона:

, , (1)

где Fтр– сила трения между соседними слоями,

h– коэффициент внутреннего трения или

динамическая вязкость,

Δυ – относительная скорость слоев жидкости,

Δd – расстояние между слоями,

S – площадь соприкосновения слоев,

– модуль градиента скорости, который

рис.1 характеризует изменение скорости в направлении z, перпендикулярном слоям жидкости (рис.1).

Знак минус в (1) показывает, что сила трения направлена в сторону, противоположную относительной скорости слоя, на который она действует.

Численно коэффициент вязкости h равен силе, действующей на единицу площади слоя при градиенте скорости равном единице.

Единицы измерения h в СИ: .

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с повышением температуры, газов – увеличивается. Это указывает на различия механизма внутреннего трения в этих средах. В жидкостях молекулы распложены близко друг к другу, и вязкость обусловлена межмолекулярным взаимодействием. Эти силы уменьшаются при увеличении температуры, соответственно и вязкость уменьшается. В газах вязкость обусловлена тепловым движением молекул, при увеличении температуры вязкость увеличивается.

Вязкость жидкости также зависит и от давления, но эта зависимость существенно проявляется только при относительно больших изменениях давления (в несколько десятков МПа).

 

В данной работе коэффициент внутреннего трения жидкости определяется методом падающего шарика в жидкости или методом Стокса.

Известно, что в вакууме все тела падают с одинаковым ускорением (g=9,81 м/с2). При падении тела в вязкой покоящейся жидкости на него кроме силы тяжести, действуют выталкивающая сила Архимеда и сила сопротивления (сила внутреннего трения) (рис.2).

Поэтому уравнение динамики для него имеет вид:

Fт – FA – F = ma (2)

Силу тяжести и выталкивающую силу можно считать постоянными; сила сопротивления F с увеличением скорости возрастает. По мере увеличения скорости наступает такой момент, когда сила тяжести уравновешивается суммой силы Архимеда и силы Стокса. Равнодействующая всех сил становится равной нулю (а = 0):

Fт – FA – F = 0 (3)

То есть падение шарика в вязкой среде только вначале будет равнопеременным, а через некоторое время шарик будет двигаться практически равномерно.

 

Сила сопротивления при движении шарика – это есть сила внутреннего трения (сила вязкости), значение которой определяется законом Стокса:

F = 6∙p∙h∙r∙υ, (4)

где r – радиус шарика, υ – скорость падения шарика в жидкости, h– коэффициент вязкости жидкости. Эта формула выведена Дж. Стоксом в 1851 г.

рис. 2. Данный закон справедлив для тел сферической формы, при ламинарного обтекания тела жидкостью, лишь для малых чисел Рейнольдса (Re <<1).

 

Сила тяжести равна:

Fт= mg = ρVg, (5)

где т = ρ V – масса шарика, равная произведению объема на плотность материала шарика, g – ускорение свободного падения.

 

Выталкивающая сила Архимеда равна:

FA = ρжgV, (6)

где ρж – плотность жидкости.

 

Подставляем значения сил (4), (5), (6) в уравнение (3), получим:

ρgV – ρжgV – 6∙p∙r∙υ∙h = 0 (7)

Решая уравнение движения (7) относительно h, получим для коэффициента внутреннего трения выражение:

6∙p∙r∙υ∙h = ρgV – ρжgV (8)


Учитывая, что объем шарика равен:

, (9)

Скорость при равномерном движении определяется выражением:

, (10)

где - расстояние между метками на цилиндре.

Подставляем (9), (10) в (8), получим выражение для коэффициента внутреннего трения:

(11)

 

Измеряя на опыте d, t, , зная плотность материала шарика r и плотность исследуемой жидкости rж, из (11) можно определить коэффициент внутреннего трения жидкости.

 

Описание прибора.

Для измерения используется стеклянный цилиндр, наполненный исследуемой жидкостью (глицерин). Диаметр сосуда ~ 4-5 см, высота ~ 60-70 см. На цилиндре нанесены две горизонтальные метки m и n, расположенные друг от друга на некотором расстоянии (рис. 2).

Верхняя метка (метка m) располагается ниже уровня жидкости исоответствует той высоте, на которой силы, действующие на шарик, уравновешивают друг друга, и движение становится равномерным, то есть скорость устанавливается.





©2015-2017 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.

Обратная связь

ТОП 5 активных страниц!