1 курс 1 ый семестр / физика / лабораторные / Двояшкин_М_Н___Черкасс_М_А___Двояшкин_Н_К___Кабиров_Р_Р___Мо«Механика_и_молекулярная_физика»_Лабораторный_практикум_по_д

Опыт

показывает, что

скорость

распространения

импульса

деформаций

ка

вдоль струны определяется величиной натяжения F струны и линейной

плотностью ρ материала струны,(масса единицы длины струны) т. е.

е

с=φ(Fρ)

Окончательное выражение для частот колебаний струны имеет вид6

о

т

.

ν

=

n

F

(7)

2 l

ρ

л

Распределение

амплитуд

отдельных

точек

собственных

б

струны при

на рисунке.

колебаниях для различных значений n имеет вид, изображенныйи

т

р

о

н

н

ая

б

и

к

Целью

работы

является получение

на

струне

стоячих

волн,

настоящей

л

возникающих при резонансе собственных колебаний струны и колебаний

создаваемыхе

генератором, наблюдение картины распределения амплитуд и

количественная проверка формулы

для частот колебаний струны. При этом

Э

101

величины ρ, ℓ, и υ остаются постоянными, изменяется только величина F, что

ведет к изменению n.

е

ка

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

УПРАЖНЕНИЕ 1

т

1. Найти массы грузов и вычислить силу натяжения струны для каждого

груза.

и

о

F = m•g

2.

Подвесить

на

струну

груз

наибольшей

массы.

Включить

генератор

внешних колебаний. Плавно

регулируя

б

внешних

колебаний,

частоту

и

добиться совпадения её с собственной частотойлколебаний струны. Это

условие резонанса, при этом образуется устойч вая стоячая волна с n = 1.

3. По формуле (7) вычислить

б

собственную частоту колебаний струны.

Линейная плотность материла струны ρ = 0,003кг/м. (табличное значение)

ая

ν

=

n

F

2 l

ρ

н

4.

н

Измерить длину вол ы, равную удвоенному расстоянию между

соседними узлами.

5.

Вычислить

о

характеристики стоячей волны:

период Т=1/ν,

ос ов ые

р

циклическую част ту ω = 2πν, скорость волны с=λ•ν, волновое число k =

2π/λ.

к

т

(замену груза производить только при

выключенном

6. Замени ь груз

генераторе внешних колебаний) и повторить измерения и вычисления для

n =2.

л

=3,

произведя перед опытом соответствующую

7. Повторить опыт для n

Э

заменуе

груза.

8.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

102

Таблица 1

Масса

Сила

Собственна

Период

Циклич

Скорост

Длина

ка

Волн

№п/

натяжени

я частота

Т(с)

еская

ь волны

волны

овое

п

m(кг)

я

колебаний

частота

с(м/с)

λ(м)

число

струны

струны

ω(рад/с)

е

k

F(Н)

ν (Гц)

т

(1/м)

n=1

о

n=2

л

и

n=3

б

б

и

Конторольные вопросы:

1)Волны. Виды волн. Их основные характеристики.

2)Запишите уравнение плоской бегущей волны. Объясните физический смысл

величин в него входящих.

н

3).Выведите уравнение стоячей волны. Дайте понятие узлов и пучностей.

н

в стоячей волне?

Какие превращения энергии происходятая

4)Сделайте вывод формулы собственной частоты колебаний

струны. Какие

о

величины входят в эту формулу?

5) От чего зависит с бственная частота колебаний струны?

р

6)Что такое резонанс? Как вы условия его наблюдения?

е

к

т

л

Э

103

Цель работы: измерение коэффициента поверхностного натяжения

жидкости методом отрыва кольца.

ка

Приборы и принадлежности: штатив, динамометр, рамка, сосуд с

жидкостью.

о

т

е

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Жидкость является агрегатным состоянием вещества,

которая занимает

и

твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают

форму сосуда, в котором они находятся.

л

Характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и

твердым телом.

б

Наиболее характерная особенность, отличающая жидкость от газа,

состоит в том, что жидкость на границе с газомиили паром образует свободную

существованием у жидкости свободной поверхности - так называемые

поверхностные явления.

Поверх

аяостная энергия

о

н

молекулу А (рисунок 1). Силы, с которыми

Выделим внутри жидкостин

молекулы жидкости действуют

а молекулу А, направлены в разные стороны и

р

в среднем скомпенсир ваны, поэтому результирующая сила, действующая на

нее со стороны других м лекул равна нулю.

е

к

т

Э

л

Рисунок 1. Состояние молекул внутри и на поверхности жидкости

104

Молекула В расположена на

поверхности жидкости. Концентрация

молекул газа над жидкостью мала

ка

по сравнению с концентрацией их в

обусловлено силами, действующими только молекулами самой жидкости.

Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхнос ный слой

е

надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кине ической энергии

молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. П эттму молекулы

поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальн й энергией,

чем

молекулы

внутри

жидкости.

Эта

дополнительная энергия, которой

о

обладают молекулы в поверхностном слое ж дкости называется

поверхностной энергией:

л

и

E ~

S ,

(1)

Поверхностная энергия пропорциональна площади поверхностного слоя:

и

б

E = σ S ,

(2)

где

σ

-

коэффициент

пропорциональности,

называемый

коэффициентом

поверхностного натяжения:

б

E

σ =

,

(3)

DS

Единица

измере ия

коэффициента

поверхностного

натяжения:

é1Дж ù

н

ая

[σ ]= ê

ú

м

2

ë

û

Отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра,

ограничивающего

н

жидкости,

называется

коэффициентом

п верхн сть

поверхностного натяжения.

Fпов

о

σ =

-

удельная

поверхностная

энергия

имеет

не

только

l

к

р

энергетичес ий характер, но и силовой смысл: она равна силе поверхностного

натяжения

даннойт

жидкости

на

единицу

длины

граничащего

слоя.

Пов рхностное натяжение может быть выражено

в ньютонах на метр,

что

л

не

противоречит

выражению этой

величины

в

джоулях

на

нисколько

квадратныйе

метр:

1

Дж

= 1

Нм

= 1

Н

.

м2

м2

м

Э

105

Г

Ж

θ

Fжг

о

т

е

Fжт

F

и

Т

л

тг

Рисунок 5. Жидкость смачивает твердое тело

б

Поведение жидкости на поверхности твёрдого те а (будет растекаться или

соберётся

в

каплю)

зависит

от соотношения

сил

Fжг , Fжт , Fтг . Растекание

и

жидкости по поверхности твёрдого тела произойдёт, если

Fтг

≥ Fжт + Fжг cosθ

(рисунок 5),

где Fжг cosθ –

проекция с лы

поверхностного

натяжения на

горизонтальную поверхность.

б

Если

Fжт > Fтг ,

то cosθ <0,

краевой угол

θ –

тупой,

т.е. жидкость не

смачивает твёрдое тело (рисунок 6).

Г

н

ая

Fжг

нТ

Ж

θ

р

о

Fжт

Fтг

Рисунок 6. Жидкость не смачивает твердое тело

т

вё дым телом смачивающие и несмачивающие жидкости

На границе с

к

образуют кривые поверхности – мениски - соотвственно с острым или тупым

углом (рисунок 7).

Э

л

е

106

е

ка

θ

т

θ

л

и

о

а)

б)

а) мениск с острым углом; б) мениск с тупым углом

Рисунок 7. Мениски

б

и

Капиллярные явлен я

Движение жидкости

б

по тонким тру кам называется капиллярным, а

давление столба жидкости (гидростатическое давление)

ρgh уравновешивается

избыточным давлением p ,

н

ая

h =

2σ cosθ

,

(4)

где

r – радиус капилляра;

ρ gr

н

ρ - плотность жидк сти;

g - уско ение свободного падения;

θ - краевой угол.

о

Смачивающая жидкость по капилляру поднимается, а несмачивающая –

р

h >0, при θ <π/2 (для смачивающей

опускается. В соответствии с формулой (4)

т

жидкости), h <0, при θ >π/2 (для несмачивающей жидкости).

При полном смачивании θ =0.

л

е

к

Э

107

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

УПРАЖНЕНИЕ 1

Рассмотрите некоторые опыты с жидкими пленками. Возьмите

проволочное кольцо.

Две его точки соединены ниткой. Опустите ольцо в

е