3. Порядок выполнения работы

3.1. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка включает в себя два комплекта оборудования. Первый комплект (см. рис.5а) состоит из двух стеклянных мензурок длиной 40 см и диаметром 6 см, установленных вертикально на общей подставке, расположенной на столе.Одна мензурка заполнена глицерином, другая – водой. Сверху мензурки закрыты полиэтиленовыми пробками с отверстиями для опускания шариков диаметрами d  (0,2 –0,3) см.

а) б)

Рис. 5

Мензурка с водой заполняется доверху, а в мензурке с глицерином между пробкой и уровнем жидкости должно быть расстояние h = (12– 13) см, чтобы обеспечить свободное падение шариков для получения начальной скорости при входе в жидкость и дальнейшее погружение до глубины Н. Обе величины (h и Н) измеряются линейкой.

Второй комплект (см. рис.5б) состоит из бака высотой 1м и сечением (0,25х0,25) м², изготовленного из оргстекла и заполняемого водой. Имеется механическое устройство для опускания разных шариков, позволяющее изменять длину свободного пролёта h до входа шариков в жидкость.

На дне бака располагается ловушка (сетка) для сбора и подъёма накопившихся шариков. Спуск и подъём ловушки осуществляется нитями, закреплёнными наверху бака. Глубина погружения H определяется по линейке на стенке бака.

В опытах могут использоваться металлические шарики (калиброванная свинцовая дробь), а также шарики из стекла и пластмассы. Размеры (диаметр) шариков определяются с помощью микрометра или штангенциркуля. Плотность ₀ вещества, из которого изготовлены шарики, должна быть либо указана для каждой отдельной партии, либо измерена с помощью весов в ходе эксперимента. Плотности жидкостей, применяемых в эксперименте, равны: для воды  = 110³ кг/м³; для глицерина  = 1,2610³ кг/м³. Плотность свинца  = 11,3·10³ кг/м³ .

Температура, при которой выполняются опыты, определяется по термометру, расположенному в помещении.

Примечание: Химическая формула глицерина: HOCH₂CH(OH)-CH₂OH. Глицерин получают реакцией омыления из природных жиров и масел. Разработана также технология получения глицерина из пропилена.

3.2. Методика выполнения измерений

Примечание: Количество заданий N для выполнения опытов указывает преподаватель.

3.2.1. Для эксперимента на первом комплекте (две мензурки) требуются: 7 металлических шариков (дробь), микрометр, линейка – 0,25м. Если плотность ₀ вещества шариков не указана, то потребуются весы с набором разновесов. Рекомендуется следующий порядок выполнения опыта:

1) измерить совместную массу 7 шариков (при неизвестной плотности ₀);

2) измерить микрометром или штангенциркулем с ценой деления нониуса 0,02 мм диаметры шариков, помещая шарики после каждого замера последовательно в ячейки контейнера;

3) отметить номера 5-ти шариков с наиболее близкими по размеру диаметрами и записать результаты их измерения в таблицу 1;

4) оставшиеся два шарика опускать поочерёдно в мензурку с водой и попытаться при этом измерить время их погружения до дна мензурки. Секундомер включать в момент опускания шариков через отверстие в пробке, выключать – в момент падения на дно.

ВНИМАНИЕ! Этот опыт должен выполняться одним человеком: одной рукой надо опускать шарики в воду (через отверстие в пробке), другой рукой – включать и выключать секундомер, наблюдая за движением шарика.

5) оставшиеся 5 шариков используются для опытов в другой мензурке с глицерином.

До начала этих опытов необходимо: измерить линейкой и записать в протокол длину свободного падения h (расстояние от верхней плоскости пробки до уровня жидкости); отметить на шкале мензурки глубину погружения от верхнего уровня жидкости: H = 0,25 м.

6) шарики (5шт.) поочерёдно опускать в мензурку с глицерином, измеряя время погружения до глубины Н = 0,25 м.

ВНИМАНИЕ! Этот опыт, как и для мензурки с водой, выполняет один человек, при этом секундомер включать в момент отпускания шарика, выключать – в момент пересечения метки, установленной на глубине Н.

Измеренное время заносить в таблицу 1.

Таблица 1

N	1	2	3	4	5
d, мм
t, с

При остановке секундомера глаз должен быть на одном уровне с меткой конца погружения.

7) записать в протокол температуру, при которой выполнялся опыт.

3.2.2. Эксперимент на втором комплекте (бак с водой) выполняется по указанию преподавателя, который должен давать задания на опыт с учётом имеющегося набора шариков. Могут быть назначены опыты с несколькими типами шариков с заданием длины свободного пролёта h и глубины погружения Н. Последовательность операций аналогична описанной в п. 3.2.1 для опыта с глицерином. Главной целью является измерение времени погружения шариков на заданную глубину Н.

Особенности эксперимента на втором комплекте (бак с водой) следующие:

1) если диаметры шариков больше, чем 0,5 см, тогда для определения размеров надо пользоваться штангенциркулем;

2) размеры и массы стеклянных шариков должны определяться индивидуально для каждого образца с занесением в таблицу 2, где будет также указано время спуска этих шариков;

Таблица 2

N
d, мм
m, г
t, с

3) перед началом опытов следует проверить наличие ловушки для шариков на дне бака;

4) рекомендуется вначале потренироваться с использованием устройства для спуска шариков, при этом над поверхностью воды необходимо держать рукой баночку (коробку), в которую будут падать шарики;

5) если устройство для спуска неисправно, шарики придётся отпускать рукой вручную.

3.3. Обработка результатов

3.3.1. Результаты опытов с первым комплектом оборудования:

1) рассчитать средние значения диаметра и времени погружения для 5 шариков в опыте с глицерином, после чего вычислить средние значения объёма и массы (по известной плотности материала) шарика. Сравнить времена погружения в воде и в глицерине. Сделать выводы о характере движения в этих средах;

2) вычислить среднюю начальную скорость свободного падения в воздухе V₀ и коэффициент плавучести b для опытов с глицерином (см. л.9);

3) пользуясь формулой (11), найти удельный коэффициент сопротивления μ, затем вычислить коэффициент сопротивления η;

4) построить графики зависимостей z = z(t), V = V(t) и V = f(z) для опыта в глицерине;

5) определить по графикам установившуюся постоянную скорость погружения в глицерине и вычислить силу сопротивления F_S для линейного закона сопротивления;

6) построить графики z = z(t), V = V(t) и V = f(z) для двух новых значений коэффициента μ, уменьшенных по сравнению с измеренными в опыте, сохраняя прежние значения V₀ и b. Кратность уменьшения коэффициента μ – в интервале от 5 до 1000 раз – указывает преподаватель индивидуально для каждого опыта.

3.3.2. Результаты опытов со вторым комплектом оборудования:

Задание на обработку результатов определяет преподаватель. Содержание заданий зависит от типа исследованных шариков и должно быть основано на формулах, полученных расчётами для разных законов сопротивления: линейного, квадратичного, комбинированного.