Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЧАСТЬ 1

.pdf
Скачиваний:
29
Добавлен:
22.02.2016
Размер:
901.46 Кб
Скачать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Приборы и принадлежности:

1.трубка с оттянутым концом (бюретка);

2.технические весы с разновесами;

3.микроскоп “Мир - 1”;

4.сосуд с исследуемой жидкостью;

5.штатив.

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды.

Теория метода и описание установки

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил. Жидкости, как и твердые и газообразные тела, состоят из молекул, между которыми действуют молекулярные силы сцепления. Эти силы весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии 10 7 см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь; это предельное расстояние называется радиусом сферы молекулярного действия.

Если молекула М занимает положение, при котором вся сфера ее молекулярного действия заполнена другими молекулами той же жидкости, то относительно молекулярных сил, действующих на нее, она находится в равновесии, так как равномерно притягивается во все стороны. Это равновесие нарушается, когда молекула находится у поверхности жидкости на глубине, меньшей радиуса молекулярного действия (например, молекула М 1 ). Нижняя половина сферы заполнена жидкостью, тогда как часть верхней полусферы заполнена воздухом и паром, имеющими меньшую плотность. Поэтому притяжение со стороны нижележащих молекул будет больше, а равнодействующая всех действующих на молекулу М 1 молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря этому поверхностный слой давит с большей силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико (для воды, например,

около 11 108 мН2 ).

23

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии сравнительно с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией. Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой пленки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения , который

численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L , мысленно проведенной на поверхности жидкости:

 

F

(1)

L

 

 

 

В таком случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется мН .

Из рассмотрения свойств поверхностного слоя можно показать, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхностной энергии W, рассчитанной на единицу площади поверхности жидкости S:

 

W

.

 

 

 

 

 

 

S

 

 

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в

Дж

.

 

 

 

 

м2

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).

Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения.

В настоящей работе определение коэффициента поверхностного натяжения производится по методу счета капель.

Рассмотрим образование капель при медленном вытекании жидкости из вертикальной трубки. Поверхностное натяжение не позволяет жидкости сразу

24

вылиться из трубки. По мере вытекания жидкости поверхностная пленка капли увеличивается и получается сужение (образуется шейка).

Когда сила тяжести Р, действующая на каплю, станет несколько больше силы поверхностного натяжения, действующей по окружности перетяжки, капля оторвется. Для момента отрыва запишем:

P mg ;

F 2 r ;

 

P = F; mg 2 r ;

отсюда

найдем коэффициент поверхностного натяжения:

 

 

 

mg

 

mg

(2)

 

 

 

 

 

 

 

2 r

d

 

 

 

для коэффициента

 

Формула

(2) является расчетной

поверхностного

натяжения; в ней m – масса капли; g=9,8 см2 - ускорение силы тяжести; d – диаметр капилляра бюретки.

Порядок выполнения работы

1.Налить жидкость (воду) в бюретку.

2.Взвесить на весах сухой стаканчик.

3.Накапать 50 –100 капель и снова взвесить.

4.Определить массу 1 капли

5.Микроскопом “Мир - 1” измерить диаметр капилляра бюретки.

6.По формуле (2) рассчитать коэффициент поверхностного натяжения.

7.Опыт повторить 3 раза.

8.Пункты 1 – 7 повторить с другой жидкостью.

9.Данные опытов занести в таблицу.

Масса

Масса

Масса

Масса 1

 

 

 

 

 

сухого

стакана с

N

капли

d

E, %

 

стакана

каплями

капель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

Ср.

знач.

25

Контрольные вопросы

1.Объясните механизм возникновения сил молекулярного давления и сил поверхностного натяжения.

2.Дайте силовое и энергетическое определения коэффициента поверхностного натяжения.

3.От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения.

4.Приведите примеры, где вы в жизни наблюдаете поверхностное натяжение, действие поверхностно-активных веществ.

Литература

1.Р.И. Грабовский Курс физики

2.А.С. Шубин Курс общей физики

3.Б. М. Яворский и др. Курс физики, т.1.

26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ЕГО ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТОДОМ ПАДАЮЩЕГО ШАРИКА

(методом Стокса)

Цель работы: Изучить явление внутреннего трения, освоить один из экспериментальных методов определения коэффициента внутреннего трения -

метод Стокса.

Задачи: 1) определить коэффициент внутреннего трения жидкости

2)исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения от температуры, построить график этой зависимости;

Приборы и принадлежности:

сосуды с жидкостью (глицерин, масло), секундомер, микроскоп или микрометр, масштабная линейка, шарики, электронагреватель для подогрева жидкости, приборы питания электронагревателя, термометр.

Краткая теория

Явление внутреннего трения в жидкости состоит в возникновении сил внутреннего трения между слоями жидкости, движущимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями.

Природа этих сил заключается в том, что слои, движущиеся с разными скоростями, обменивается молекулами.

Молекулы из более быстрого слоя, переходя в слой более медленный, переносят импульс, вследствие чего последний начинает двигаться быстрее. Молекулы из более медленного слоя, перескакивая в более быстрый слой, получают в быстром слое импульс, что приводит к его торможению.

Сила внутреннего трения, возникающая между слоями, выражается законом

Ньютона:

F V S , (1)

x

где коэффициент внутреннего трения жидкости (коэффициент динамической вязкости );

V градиент скорости течения жидкости, характеризующий изменение

x

скорости V на единицу длины x в направлении, перпендикулярном скорости ; S площадь соприкосновения движущихся слоев.

27

Из формулы (1)

 

F

 

V

S

 

 

x

 

Коэффициент внутреннего трения есть физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, возникающей на единице площади соприкосновения слоев, движущихся с градиентом скорости, равным единице.

В данной работе рассматривается один из методов определения коэффициента внутреннего трения - метод Стокса (метод падающего шарика). Рассмотрим свободное падение тела (свинцового шарика) в вязкой покоящейся жидкости. При соприкосновении шарика с жидкостью к нему прилипает мономолекулярный слой жидкости и движется со скоростью шарика.

Этот слой увлекает в своем движении соседнии слои жидкости, которые приходят в плавное безвихревое движение (если малые шарики и малые скорости). Скорости движения слоев уменьшаются по мере удаления от шарика, между слоями возникает сила внутреннего трения (формула 1).

На падающий в жидкости шарик действуют три силы:

 

Сила тяжести P mg (2)

 

 

FB

 

 

 

Выталкивающая сила F

4 r3

 

g (3)

FC

ж

 

в

3

 

 

 

 

 

 

Сила сопротивления (сила Стокса)

 

 

 

Fc 6 rV

(4)

 

 

P

Вначале скорость движения шарика будет возрастать, но так как по мере увеличения скорости шарика сила сопротивления будет также возрастать, то наступит такой момент, когда сила тяжести P будет уравновешена суммой сил сопротивления Fc и выталкивающей Fв :

P Fc Fв (5)

С этого момента движение шарика становится равномерным.

Подставив формулы (2), (3), (4) в уравнение (5), получим выражение для расчета коэффициента внутреннего трения жидкости.

mg 6 rV 4 r3

ж

g

3

 

 

 

28

ж плотности шарика и жидкости соответственно;

Масса шарика

 

m

ш

V 4 r3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

ш

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 r3 g 6 rV 4 r3

ж

g

 

3

 

 

ш

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

 

2

 

gr 2 (

ш

 

ж

)

, (6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость V равномерного

движения шарика найдем по формуле V L ,

t

измерив время t прохождения шариком пути L между метками на сосуде. Тогда формула (6) примет окончательный вид:

2 gr 2 ( ш ж )t 9 L

где ш ,

r радиус шарика;

g ускорение свободного падения;

L путь, пройденный шариком; t время падения шарика.

Коэффициент внутреннего трения

,(7)

зависит от температуры T . С ростом

температуры жидкости коэффициент внутреннего трения уменьшается.

Описание лабораторной установки.

1

2

 

Установка (рис.1) представляет собой

 

цилиндрическую стеклянную

трубку

 

 

 

 

 

3

(3)

с

глицерином

или

 

другой

 

 

жидкостью,

закрепленную

на

 

 

 

 

 

 

подставке. Для подогрева жидкости

 

 

 

на

трубку

намотана

спираль

 

 

 

электронагревателя (4).

 

 

 

 

 

Температуру

жидкости

 

можно

5

4

mA

изменять,

 

меняя

ток

в

 

 

 

электронагревателе

при

помощи

 

 

 

реостата R, а измерить – термометром

 

 

 

(1). Шарики бросают через воронку

 

 

R

(2),

пройденный шариком

путь (L)

 

 

замечают по масштабной линейке (5).

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

 

 

 

 

 

 

Порядок выполнения работы

1.Измерить при помощи масштабной линейки расстояние L между двумя метками, нанесенными на стенку сосуда с жидкостью.

2.Измерить с помощью микрометра диаметр d шарика.

3.Опустить шарик в сосуд с исследуемой жидкостью и измерить секундомером время t падения его между двумя метками.

4.Занести в таблицу значения всех величин (измеренных в опыте и табличных), необходимых для расчета коэффициента внутреннего трения.

5.По формуле (7) рассчитать коэффициент внутреннего трения жидкости.

6.Опыты повторить с 5 шариками.

7.С разрешения преподавателя включить цепь электронагревателя. Подогрев жидкость, повторить измерения, указанные в пунктах 2 и 3, и рассчитать коэффициент внутреннего трения при температурах ( T1 , T2 ), выше комнатной.

8.Построить график зависимости f (T) .

Таблица

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ж

ш

L

T

r

t

 

 

 

cp

 

ист

опыта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сред.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

знач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы

1.Какие явления относятся к явлениям переноса, и почему они так называются?

2.В чем состоит сущность явления внутреннего трения? Механизм возникновения внутреннего трения.

3. Как записывается уравнение переноса для внутреннего трения (уравнение Ньютона)?

4.Дайте определение коэффициента внутреннего трения, от чего он зависит? В каких единицах измеряется?

5.Какие силы действуют на шарик, падающий в вязкой жидкости?

6.Запишите уравнение равномерного движения шарика в жидкости.

30

Литература

1.Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики, Е.1.

2.Савельев И.В. Курс физики, Т.1

3.Шубин А.С. курс общей физики.

4.Грабовский Р.И. Курс физики.

31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ГАЗА, СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА ЕГО МОЛЕКУЛ

Цель работы: практическое изучение одного из экспериментальных физических методов определения вязкости – метода Пуазейля.

Задачи работы:

1.Рассчитать коэффициент внутреннего трения (вязкость) воздуха, среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр молекул воздуха.

2.Исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения газа от температуры.

Приборы и принадлежности: стеклянный баллон с краном в нижней части, капилляр, помещенный в электронагреватель, источник питания электронагревателя, секундомер, мерный и запасной стаканчики.

Теоретическое введение.

При движении слоев газа параллельно друг другу с различными по величине скоростями между ними возникают силы внутреннего трения (закон Ньютона)

F V S ,

X

где - коэффициент внутреннего трения газа (динамическая вязкость);

V - градиент скорости;

S – площадь соприкосновения слоев;

Чтобы понять происхождение силы внутреннего трения, рассмотрим два соприкасающихся слоя газа, движущихся с различными скоростями V1 и V2 .

V1

V2

32