Лабораторна робота № 2.1

05-06-32

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

із навчальної дисципліни «Фізика»

розділ «МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА»

для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки

денної, заочної та дистанційної форм навчання

Рекомендовано

науково-методичною

радою НУВГП

протокол № від..20 р.

РІВНЕ – 2014

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із навчальної дисципліни «Фізика», розділ «МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА» для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки денної, заочної та дистанційної форми навчання / О.Д. Кочергіна, А.В. Рибалко, М.В. Бялик, Рівне: НУВГП, 2014,- 28 с.

Упорядник:

Бялик М.В., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Рибалко А.В., канд. пед. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Кочергіна О.Д., асистент кафедри хімії та фізики.

Відповідальний за випуск:

Гаращенко В.І., канд. техн. наук, доцент, кафедри хімії та фізики.

© Кочергіна О.Д., Рибалко А.В.,

Бялик М.В., 2014

© НУВГП, 2014

ЗМІСТ

ВСТУП... 3

Лабораторна робота № 2.1 Визначення в’язкості рідини методом Стокса 4

Лабораторана робота № 2.2 Визначення в’язкості повітря капілярним методом 9

Лабораторна робота № 2.3 Визначення відношення тепло-ємностей повітря методом адіабатичного розширення. 15

Лабораторна робота № 2.4 Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця 22

Література. 26

Додаток 1 Приклад оформлення титульної сторінки.. 27

Додаток 2 Приклад оформлення звіту.. 28

ВСТУП

У даній методичці представлені лабораторні роботи з дисципліни «Фізика» розділ «Молекулярна фізика», які виконуються на кафедрі хімії та фізики.

Метою лабораторних робіт є вивчення фізичних процесів і явищ, які лежать в основі даного розділу фізики, а завданням є навчити студента вимірювати величин і виконувати обробку результатів вимірювань. У процесі виконання лабораторної роботи студент оформляє звіт (див. зразок у додатках 1, 2).

У кожній лабораторній роботі вказана мета, теоретичні відомості, опис експериментальної установки, хід роботи і контрольні запитання.

Визначення в’язкості рідини методом Стокса

Мета роботи: визначити в’язкість рідини.

Теоретичні відомості і опис установки

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч І)§2.19, 2.20)

Молекули газів та рідин внаслідок теплового руху безперервно і хаотично рухаються. При цьому вони обмінюються імпульсами та енергіями. Якщо в середовищі існує просторова неоднорідність густини, температури або швидкості впорядкованого руху окремих шарів, то на тепловий рух молекул накладається впорядкований рух, який веде до вирівнювання цих неоднорідностей.

Явища переносу – це процеси встановлення рівноваги в системі шляхом переносу маси (дифузія), енергії (теплопровідність) та імпульсу напрямленого руху (внутрішнє тертя або в’язкість).

Явище дифузії полягає у взаємному проникненні і перемішуванні частинок речовини внаслідок неоднорідності густини чи різниці концентрацій компонент суміші в різних місцях об’єму. Потік маси виникає в напрямку зменшення густини чи концентрації. Явище описується емпіричним законом Фіка.

,

де D – дифузія, яка дорівнює масі речовини, що переноситься через одиницю площі за одиницю часу при одиничному градієнті густини; – градієнт густини; S – площа поверхні; dt – час переносу.

Якщо вдовж осі Х існує градієнт температури , то в напрямку зменшення температури виникає потік тепла через поверхню площею S перпендикулярну до осі Z. Явище теплопровідністі описує закон Фур’є.

,

де dQ – кількість теплоти; dt – проміжок часу; К – теплопровідність речовини – це кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через одиничну площу при одиничному градієнті густини. Механізм явища теплопровідністі полягає в передачі енергії теплового хаотичного руху при зіткненні молекул.

У явищі внутрішнього тертя (в’язкості) спостерігається перенос імпульсу напрямленого руху від молекул із шарів, які рухаються швидше до повільніших і навпаки. У результаті більш швидкий шар гальмується, менш швидкий прискорюється (рис. 1). Такий процес з механічної точки зору можна пояснити виникненням сил тертя, які сповільнюють більш швидкий і прискорюють повільніший шари молекул. Ці сили напрямленні по дотичній до поверхні стичних шарів проти відносної швидкості. Дослід показує, що імпульс руху dp, що передається із шару в шар через поверхнюпропорційний градієнту швидкості шарів, площі цієї поверхні S та часу переносу dt

.

В результаті між шарами виникає сила внутрішнього тертя

, (1)

де h – в’язкість, яка залежить від природи речовини і її стану. Із співвідношення (1) визначимо:

. (2)

В’язкість η – чисельно дорівнює силі внутрішнього тертя, яка діє між шарами одиничної площі при одиничному градієнті швидкості.

Нехай тіло рухається в рідині, що його змочує. До поверхні тіла прилипає шар рідини (внаслідок міжмолекулярних сил притягання), який буде рухатись швидше ніж суміжній шар. Між цими шарами виникає градієнт швидкості і це веде до виникнення сили в’язкості (внутрішнього тертя), яка є силою опору. Як відомо, сила внутрішнього тертя між сусідніми шарами пропорційна градієнту швидкості:

, (3)

де S – площа стичних шарів.

Шари, що досить віддалені від поверхні тіла майже не рухаються. Отже градієнт швидкості пропорційний швидкості. Таким чином сила в’язкості

, (4)

де u – швидкість тіла, k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від природи рідини і від форми і розмірів тіла. Стокс показав, що для кульки, яка рухається в рідині

, (5)

де r – радіус кульки. Тоді, підставивши (5) в (4), одержимо силу Стокса:

. (6)

Нехай кулька падає в рідині (рис. 2). На неї діють сили:

– Архімеда, – сила тяжіння, – сила в’язкості. Модуль рівнодійної цих сил

. (7)

Швидкість кульки зростає до тих пір, поки рівнодійна не стане рівною нулю, тоді

. (8)

(9); (10); (11)

Після підстановки в (8) співвідношень (6), (9), (10), (11) отримаємо

, (12)

де – густина кульки, – густина рідини, V – об’єм кульки,

g – прискорення вільного падіння.

Установка для вимірювання в’язкості – це циліндр з рідиною (рис. 3), на якому у верхній і нижній частинах зроблені мітки. Верхня мітка знаходиться на такій висоті, щоб при її досягненні рух кульки міг би вважатись рівномірним. Якщо відстань між мітками l, а час падіння t, то швидкість

. (13)

Виразимо радіус кульки через її діаметр

. (14)

Підставивши (13), (14) в (12) отримаємо

. (15)

Позначимо

. (16)

Звідки отримаємо робочу формулу для визначення коефіцієнта в’язкості рідини

. (17)

Хід роботи

1. Виміряти віддаль l між верхньою і нижньою мітками на мензурці за допомогою міліметрової шкали.

2. Виміряти діаметр кульки d за допомогою мікрометра (дослід повторити 3 рази).

3. Виміряти діаметр ще для двох кульок.

4. Виміряти t час падіння кульок в рідині за допомогою секундоміра. Опустити кульку в рідину через отвір в кришці і уважно слідкувати за її проходженням повз верхню мітку (включити секундомір) і нижню мітку (виключити секундомір).

5. Записати значення ρ₁, ρ ₂, g.

6. Оцінити паспортні приладові похибки та похибки табличних величин.

7. Обчислити середнє значення величини d.

8. Обчислити за формулою (16) f для кожної кульки.

9. Обчислити середнє значення величини f.

10. Обчислити за робочою формулою (17) в’язкість рідини h підставляючи в неї середнє значення величини f.

11. Обчислити відносну і абсолютну похибки, записати кінцевий результат.

Результати вимірювань

ρ ₁ = Δ(ρ ₁)₀ =

ρ ₂ = Δ(ρ ₂)₀ =

g = Δ g ₀ =

l= D l₀=

Δ d ₀=

Δ t ₀ =

	І кулька	ІІ кулька	ІІІ кулька	Ср.
№	d,	d,	d,
СІ
Ср.
t,
f,
∆f,

Контрольні запитання

1. Які явища відносяться до явищ переносу? Вказати характерні особливості кожного з цих явищ.

2. В чому полягає суть явища в’язкого тертя? Записати вираз для сили внутрішнього тертя.

3. Який фізичний зміст в’язкості?

4. Пояснити механізм виникнення сили в’язкого тертя, що діє на кульку, яка рухається у в’язкому середовищі.

5. Записати формулу Стокса.

6. Як змінюється швидкість кульки при падінні в рідині? Чим це зумовлено?

Дата добавления: 2015-05-24