1. Записати вихідні дані: r0=(1,250+0,005)103 кг/м3; r свинцю=(11,40±0,01)103 кг/м3; r сталі=(7,80 + 0,01)103 кг/м3.
2. Тричі виміряти внутрішній діаметр циліндра і діаметр кульки. Обчислити середні значення R і r..
3. Мітками 2 позначити і тричі виміряти задану викладачем відстань l між ними. (Для забезпечення рівномірного руху кульки верхня мітка повинна бути на 3–5 см нижче від рівня рідини). Обчислити середнє значення l.
4. Опустити кульку в рідину вздовж осі циліндра і виміряти секундоміром час її руху між мітками. Виконати аналогічні експерименти з п’ятьма кульками.
5. Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю.
Номер за пор. | l, м | D l, м | R, М | D R, м | r, м | D r, м | t, с | D t, с |
... | ||||||||
C.з. |
Абсолютну похибку вимірювання обчислити за формулою
.
Значення D r i D r0 взяти з п.1, D t розрахувати як похибку приладу.
6. Кінцевий результат записати у вигляді
h =(` h ± D `h), Eh =...%.
Контрольні запитання
|
|
1. Чому внутрішнє тертя належить до явищ перенесення?
2. Від чого залежить сила внутрішнього тертя в рідинах і газах?
3. У чому полягає фізичний зміст коефіцієнта в’язкості рідин?
4. Запишіть і поясніть формулу Стокса. За яких умов її можна застосовувати?
5. Які сили діють на кульку під час її руху в рідині?
6. Від чого залежить коефіцієнт в’язкості рідини?
7. Запишіть і поясніть формулу Пуазейля.
Лабораторна робота № 202. ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ КОЕФІЦІЄНТА В’ЯЗКОСТІ РІДИНИ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ
Завдання: визначити коефіцієнт в’язкості гліцерину за різних температур в інтервалі 18–40° С, побудувати графік залежності h = f (t °С) і розрахувати енергію активації молекули.
Приладдя: віскозиметр Хепплера з досліджуваною рідиною, скляною кулькою і термометром; лабораторний автотрансформатор (ЛАТР); секундомір.
Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до роботи: Див. лабораторну роботу №201.
|
|
Опис установки. Віскозиметр Хепплера (рис. 2) складається зі скляного термостата 1, заповненого водою, всередині якого розміщена трубка 2 з досліджуваною рідиною і скляною кулькою 3. Трубка 2 нахилена під кутом 10° до вертикалі. В термостаті розміщений нагрівник 4 і термометр 5. Живлення нагрівника (не більше 80 В) забезпечують за допомогою ЛАТР 6. Скляний термостат 1 можна обертати навколо осі 00 і фіксувати гвинтом 7 у двох положеннях – прямому й оберненому. Це дає змогу виконувати багаторазові експерименти з досліджуваною рідиною, не виймаючи з неї скляної кульки.
Ідея роботи та виведення робочої формули. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини за допомогою віскозиметра Хепплера ґрунтується на вимірюванні часу руху скляної кульки на заданому відрізку шляху у в’язкій рідині, температуру якої можна змінювати.
|
|
Під час руху кульки на неї діють такі сили: сила тяжіння ,
сила Архімеда , сила тертя до стінки трубки F2=mN, сила опору рідини рухові кульки F3, яка за формулою Стокса дорівнює 6prhv, де r – радіус кульки; r1 і r0 – густина матеріалу кульки і рідини; m – коефіцієнт тертя; N – сила реакції; h – коефіцієнт в’язкості рідини; v – швидкість руху кульки.
Сили, які діють на кульку, показані на рис. 3. Якщо осі Х та У вибрати так, як показано на рис. 3, то, розклавши сили F1 і mg на складові, рівняння руху кульки (за умови, що її рух рівномірний) можна записати у виглядi
(1)
або . (2)
Врахуємо, що швидкість кульки V можна виразити як
v=l/t, (3)
де l – відстань, яку проходить кулька; t – час руху. Із (2) і (3) отримаємо
,
або h = b (r 1- r 0) t, (4)
де b є сталою приладу.
Вираз (4) – це робоча формула цієї лабораторної роботи.
Відомо, що коефіцієнт в’язкості залежить від температури. Для газів цю залежність визначає таке співвідношення:
, (5)
де r – густина; Т – абсолютна температура газу; m – маса молекули; ` l – середня довжина вільного пробігу. Із (5) можна бачити, що для газів h збільшується з підвищенням температури.
В’язкість рідин, на відміну від газів, зменшується з підвищенням температури. Це зумовлено різним характером руху молекул у рідинах і газах. Перехід молекули рідини від коливального до поступального руху (перехід в інше положення рівноваги) потребує певної енергії активації. Тому коефіцієнт в’язкості рідини залежить від температури так:
, (6)
де Е – енергія активації молекули; k – стала Больцмана; Т – абсолютна температура; h 0– стала, що має розмірність коефіцієнта в’язкості.
Якщо експериментально визначити коефіцієнти в’язкості рідини h 1i h 2
за різних температур Т1 і Т2, то на підставі (6) легко отримати співвідношення для визначення енергії активації молекул рідини:
. (7)