Описание установки

У становка (рис. 2) представляет собой стеклянный сосуд, закрепленный на штативе. Снизу сосуд имеет гибкую трубку с зажимом, а сверху он закрыт герметичной пробкой, через которую пропущен капилляр. Сосуд на 3/4 заполнен водой. Если убрать нижний зажим, то вода сначала будет выливаться из сосуда непрерывной струей, а потом – отдельными каплями. Над поверхностью воды создается пониженное давление. Таким образом, концы капилляра будут находиться под разным давлением (верхний конец – под атмосферным p, нижний – меньше атмосферного).

Так как капилляр очень узкий и воздух проходит через него очень медленно, после отрыва капли на концах капилляра образуется некоторая разность давлений р.

Можно считать, что сразу после отрыва капли столб жидкости в сосуде находится в равновесии и имеет место равенство:

p – _жg h = p₁,

где h – высота столба жидкости (определяется линейкой); _ж – плотность жидкости; р₁ – давление воздуха в сосуде после отрыва капли. Тогда

p = p – p₁ = _жg h.

Высота столба жидкости в сосуде во время опыта меняется, поэтому необходимо для расчетов брать среднее значение гидростатического давления:

^{.
(15)}

Подставив формулу (15) в формулу (8), получим окончательную расчетную формулу для коэффициента вязкости воздуха:

. (16)

Порядок выполнения работы

1. Установить зажим на гибкую трубку внизу сосуда. Убедиться, что конец гибкой трубки и нулевая отметка линейки совпадают. (Если не совпадают, то ввести поправку на определение высоты).

2. Заполнить сосуд водой до верхнего уровня линейки ( 50 см). Поставить на стол под сосуд кювету для собирания капель воды.

3. Достать капилляр из футляра. В лабораторной работе используется очень тонкий капилляр из иголки шприца. Для прочности капилляр впаян в защитную медную трубку. Сверху медной трубки надет кусок силиконового шланга, служащий одновременно и пробкой сосуда.

4. Слегка смочить водой наружную поверхность силиконового шланга, надетого на трубку с капилляром, и герметично закрыть им стеклянный сосуд (придерживая сосуд рукой).

ВНИМАНИЕ. При работе с измерительной установкой не следует прилагать значительных усилий, иначе можно сломать её стеклянные части. Капилляр очень тонкий, поэтому недопустимо попадание внутрь его воды, грязи, пыли и т.п.

5. Ниже уровня воды в сосуде следует предварительно отметить два уровня воды V₁ и V₂ (и соответствующие им высоты h₁ и h₂). Желательно, чтобы разность объемов V = V₂ – V₁ была равна 3–7 мл. Объем жидкости в стеклянном сосуде определяется по шкале на его стенке (шкала отградуирована в миллилитрах). Скорость вытекания воды достаточно мала, поэтому для определения времени вытекания воды можно пользоваться обычными часами с секундной стрелкой.

6. Убрать зажим с гибкой трубки внизу сосуда. Так как капилляр достаточно тонкий, то вода начинает вытекать редкими каплями (приблизительно – одна капля в секунду).

7. Когда вода дойдет до первого отмеченного уровня V₁, определить по часам время начала опыта. Когда вода дойдет до второго уровня V₂ , определить время окончания опыта.

8. Установить зажим гибкую трубку внизу сосуда. Определить время вытекания данного объема жидкости V = V₂ – V₁. Этот объем равен объему воздуха, прошедшего через капилляр.

9. Измерить температуру по комнатному термометру.

10. Определить атмосферное давление по барометру.

11. Вычислить коэффициент вязкости по формуле (16).

12. Не вынимая капилляра из сосуда, повторить опыт еще 2 раза, начиная с п. 5. Найти среднее значение коэффициента вязкости.

Примечание. Можно проделать сразу все 3 опыта, не устанавливая каждый раз зажим на гибкую трубку. Для этого надо предварительно отметить на вертикальной линейке высоты h₁, h₂, h₃, h₄, между которыми будут располагаться в сосуде, например, по 5 мл воды. Когда вытекающая вода дойдет до первого уровня h₁, надо определить по часам время начала опыта. Далее следует записывать время прохождения водой отметок h₂, h₃, h₄.

13. Аккуратно вытащить капилляр из сосуда, остатки воды при этом выльются в кювету. Убрать капли воды с наружной поверхности силиконового шланга капилляра. Поместить капилляр в футляр. Перелить воду из кюветы в бутылку.

14. По среднему значению коэффициента вязкости найти по формуле (11) среднюю длину свободного пробега.

15. По формуле (14) определить эффективный диаметр молекул азота (составляющего 78  воздуха).

16. Рассчитать погрешности величин  d.

Величины, необходимые для расчетов:

1) число Лошмидта n₀ = 2,69 10²⁵ м^–3;