№1. Визначення густини твердого матеріалу

Прилади та обладнання: торсійні терези, скляний стакан, нитки, дистильована вода

Мета роботи: Навчитися визначати густину.

Коротка теорія: Густиною називається маса речовини, яка знаходиться в одиниці об’єму тіла. Вона є однією з фізичних характеристик речовини й визначається за формулою:

де ρ – густина, m – маса тіла, V – його об’єм.

Для визначення об’єму тіла неправильної геометричної форми, треба провести гідростатичне зважування, яке ґрунтується на законі Архімеда. Згідно цього закону, на занурене в рідину тіло діє виштовхувальна сила, яка направлена вгору й дорівнює вазі рідини в об’ємі зануреного тіла.

Щоб визначити, наприклад, густину невеликого шматочку, треба прив’язати його за нитку до коромисла торсійних терезів і знайти його вагу в повітрі (Р).

Потім необхідно занурити у дистильовану воду. При цьому рівновага терезів порушиться. Відновити її можна послабленням дії на пружину торсійних терезів.

Величина виштовхувальної сили F буде дорівнювати:

F = Р – Р1,

де Р – вага обʼєкту в повітрі, Р1 – вага у воді.

Підставивши значення замість виштовхувальної сили:

де ρ – густина води, V – об’єм зважуваної речовини , g – прискорення вільного падіння, з попереднього рівняння визначаємо об’єм:

Масу зважувальної речовини знаходимо за величиною її ваги в повітрі:

Знаючи об’єм й масу, можна визначити густину з рівняння:

Примітка: У процесі зважування у воді необхідно слідкувати за тим, щоб об’єкт не торкався до стінок посудини і щоб на ньому не було бульбашок повітря. За їх наявності об’єкт треба витягти з води і знову повільно занурити

Перелік робіт, що підлягають виконанню:

1. підвісити на нитці до коромисла терезів досліджуваний матеріал;

2. знайти вагу його в повітрі;

3. знайти вагу його в дистильованій воді;

4. розрахувати густину матеріалу згідно формули ;

5. зробити аналогічні вимірювання для трьох матеріалів і результати занести у таблицю.

6. По завершенні роботи записати висновок.

Матеріал	Вага у повітрі	Вага у воді	Виштов-хувальна сила	Густина води Кг/м3	Густина досліджу-ваного матеріалу

№2. ДОСЛІДЖЕННЯ РІДИН МАЛОЇ В'ЯЗКОСТІ

КАПІЛЯРНИМ ВІСКОЗИМЕТРОМ

Прилади та обладнання: капілярний віскозиметр з краником, еталонна рідина - дистильована вода, досліджувана рідина, мірний циліндр, терези, склянка.

Мета роботи: засвоїти метод вивчення коефіцієнта внутрішнього тертя за допомогою віскозиметра.

Коротка теорія та метод вимірювання

Будь-яка рідина (або газ) мають властивість протидіяти відносному переміщенню її шарів. В газах ця властивість зумовлена переносом імпульсу хаотичним тепловим рухом молекул, а в рідинах – переважно зчепленням молекул, і називається внутрішнім тертям, або в'язкістю.

Сила внутрішнього тертя визначається законом Ньютона:

(1)

де η - коефіцієнт в'язкості, S - площа дотику шарів; Δv/Δx - градієнт швидкості шарів (зміна відносної швидкості шарів на одиницю довжини в напрямку найбільшого її зростання - вздовж нормалі до S). Наявність в'язкості є причиною того, що швидкість течії рідини всередині труби в різних точках поперечного перерізу виявляється різною і змінюється від v=0 поблизу стінок труби до деякого максимального значення на осі труби.

Для труби або капіляра кругового перерізу Пуазейль одержав співвідношення для "секундного" об'єму рідини, що перетинає їх поперечний переріз (об’ємного розходу) Q:

(2)

де R – радіус капіляра, Δр - перепад тисків на кінцях капіляра, l - довжина капіляра, η − коефіцієнт в'язкості рідини.

В даній роботі рідина витікає із віскозиметра під дією власної ваги, тому перепад тисків Δр можна подати співвідношенням

Δр=ρgh (3)

де ρ - густина рідини, h - висота рівня рідини над вихідним отвором. Якщо вихідний рівень h0 відповідає об'єму рідини Vо у віскозиметрі, то рівень h відповідає об'єму Vо-V, де V - об'єм рідини, що вибігла з віскозиметра. Позначаючи площу перерізу циліндричного резервуара віскозиметра через S і враховуючи, що h=(Vо-V)/S, одержимо з попередньої формули:

Δр =ηg(Vо-V)/S (4)

Підставляючи (4) в (2) і інтегруючи одержану рівність, приходимо до співвідношення:

ln(Vо/(Vо-V))=πR⁴ρgt/8ηlS, (5)

де відношення Vо/(Vо-V)= hо/h; hо - вихідний рівень рідини у віскозиметрі над випускним отвором капіляра, h - кінцевий рівень, t - час витікання рідини. Звідси можна знайти коефіцієнт в'язкості:

η=πR⁴ρgt/8lS ln(hо/h) (6)

Часто розрахунки за формулою (6) призводять до незадовільних результатів через значний вплив похибок вимірювань величин, що входять до формули. В зв’язку з цим застосовують так званий метод порівняння з еталонною рідиною. Віскозиметр наповнюють еталонною рідиною з густиною ρ₀ до рівня h₀ і випускають їх під дією власної ваги, доки рівень не досягне значення h. Відмічають час витікання t_0. При таких же значеннях h₀ і h для досліджуваної рідини з густиною ρ відмічають час її витікання t. Записуючи двічі співвідношення (6) для цих двох випадків і беручи відношення другого до першого, одержимо

η/η₀=(ρt)/( ρ₀t₀), (7)

тому що всі величини, які характеризують установку, сталі і скорочуються. За співвідношенням (7) і відомою в’язкістю еталонної рідини знаходять в’язкість досліджуваної рідини.