- •Содержание
- •Введение
- •Общие указания к выполнению лабораторных работ
- •Правила оформления отчета по лабораторным работам.
- •Требования к допуску, выполнению и защите лабораторных работ.
- •Лабораторная работа 1–01 “Изучение основных измерительных приборов и определение линейных размеров твердых тел”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений:
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1–02 “Определение плотности образца и вычисление погрешностей косвенных измерений”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-03 “Изучение погрешностей измерения ускорения свободного падения с помощью математического маятника”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-04 “Статистическая обработка результатов эксперимента. Случайные погрешности результатов наблюдений интервалов времени”
- •Методика измерений
- •Контрольные вопросы.
- •Используемая литература.
- •Лабораторная работа 1-05“Исследование упругого соударения шаров”
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 1-06 “Определение коэффициента трения твердых тел”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа 1-07 “Определение момента инерции тела с помощью наклонной плоскости”.
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-08 “Исследование динамики вращательного движения на маятнике Обербека”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть.
- •Методика измерения
- •Замечание 1: погрешность времени рассчитывается по стандартной методике расчета погрешностей случайной величины:
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-09 “Определение момента инерции маховика”.
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемые литература
- •Лабораторная работа 1-10 “Маятник Максвелла”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Расчёт погрешностей:
- •Контрольные вопросы:
- •Используемая литература:
- •Лабораторная работа 1-11 “Изучение характеристик механического гироскопа”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-12 “Определение коэффициента вязкости воздуха капиллярным методом”
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-13 “Определение динамического коэффициента вязкости”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-14 “Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Пуазейля”
- •Теоретическое введение
- •Методика определения
- •Лабораторная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Контрольные вопросы.
- •Используемая литература.
- •Лабораторная работа 1-15 “Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса”.
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Метод определения
- •Порядок выполнения работы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-16 “Определение модуля Юнга методом прогиба”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная установка
- •Методика измерений
- •Контрольные вопросы.
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-17 “Изучение упругой деформации растяжения”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная установка
- •Методика измерения
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-18 “Изучение свободных колебаний пружинного маятника”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки
- •Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа 1-19 “Изучение колебаний физического маятника”
- •Теоретическое введение
- •По второму закону Ньютона для вращательного движения маятника:
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-20 “Определение коэффициента трения качения методом исследования колебаний наклонного маятника”
- •Теоретическое введение
- •Методика измерения
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-21 “Измерение момента инерции тела методом крутильных колебаний”
- •Теоретическое введение Движение твердого тела с закрепленной осью.
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-22 “Определение отношения удельных теплоемкостей для воздуха методом адиабатического расширения”
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-23 “Определение отношения акустическим методом”
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-24 “Определение теплоемкости твердых тел”
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные задания
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 1-25 “Определение изменения энтропии при нагревании и плавлении олова“
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Библиографический список
- •Приложения Справочные материалы
Контрольные вопросы
Какими общими чертами обладают жидкости и газы?
Почему возможно в лабораторных работах 1-14, 1-12 использовать формулу Пуазейля для определения коэффициента вязкости, хотя в работе 1-14 измеряют свойства жидкостей, а в 1-22 – газа?
Каков физический смысл вязкости?
От каких параметров и как зависит коэффициент вязкости воздуха?
Выведите рабочую формулу для коэффициента вязкости.
Используемая литература
[2] §128-130; [3] §10.6-10.8; [7] §48; [4] §2.27-2.29
Лабораторная работа 1-14 “Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Пуазейля”
Цель работы: определить динамический и кинематический коэффициенты вязкости воды при комнатной температуре и число Рейнольдса в условиях работы установки.
Теоретическое введение
В данной работе изучаются физические величины, характеризующие течение реальной жидкости. Реальная жидкость отличается от идеальной тем, что она обладает внутренним трением, или вязкостью.
Если различные частицы жидкости движутся с одинаковыми скоростями, направленными одинаково, то это означает, что жидкость находится в равновесном состоянии. Однако, если скорость течения жидкости различна в разных местах, то такое состояние жидкости не является равновесным, и в ней возникают самопроизвольные процессы перехода в состояние равновесия. Эти процессы обуславливают появление особого свойства жидкости, которое называется вязкостью, или внутренним трением.
Р ассмотрим плоскопараллельный поток жидкости, то есть такое ее течение, при котором векторы скорости частиц жидкости всюду направлены одинаково. Пусть также модуль скорости меняется (уменьшается) лишь вдоль положительной оси (рис. 14.1) перпендикулярной потоку жидкости ( ). Опыт показывает, что соприкасающиеся слои жидкости, двигающиеся в одном и том же направлении, но с разными скоростями, воздействуют друг на друга. Сила взаимодействия ускоряет медленно движущийся элемент жидкости и замедляет более быстрый. Конечно, в сплошной среде никаких элементов жидкости нет и это понятие используется лишь для наглядности, а скорость жидкости распределена непрерывно. Из опыта следует, что сила внутреннего трения пропорциональна изменению скорости жидкости в направлении, перпендикулярном движению, и зависит от площади соприкосновения элементов жидкости. Быстрота изменения скорости как функции характеризуется производной . Окончательный результат можно записать в виде:
. (14.1)
Это – закон вязкого трения Ньютона. Здесь – величина силы, действующей со стороны одного слоя на другой, – коэффициент пропорциональности, получивший название коэффициента вязкости жидкости (динамическая вязкость). Его размерность вытекает из формулы (14.1). Единицу измерения принято выражать как 1 Пас. Направление силы (вправо или влево на рис. 14.1) зависит от того, быстрее или медленнее движутся слои относительно друг друга.
Коэффициент вязкости имеет разные значения для различных жидкостей, а для определенной жидкости зависит от внешних условий, в первую очередь от температуры. По своей природе силы трения в жидкости являются силами межмолекулярного взаимодействия, т.е электромагнитными силами, как и силы трения между твердыми телами.
Процесс выравнивания скоростей между соседними слоями жидкости сопровождается переносом импульса от слоя к слою. Механизм этого переноса имеет молекулярный характер. Коэффициент вязкости и определяет быстроту передачи импульса из одного места при течении жидкости в другое. Если жидкость течет, соприкасаясь с твердой поверхностью (рис 14.1), то непосредственно прилегающий к твердой стенке слой жидкости “прилипает” к поверхности – скорость течения обращается в нуль на стенке. По мере удаления от стенки скорость жидкости увеличивается и, благодаря вязкости жидкости, возникает поток импульса
(14.2)
– это полный импульс, переносимый в 1 с в положительном направлении оси Х через единичную площадку.
Действительно, в соответствии со вторым законом Ньютона взаимодействие слоев жидкости с силой можно рассматривать как процесс передачи в единицу времени импульса .
(14.3)
Величина же потока импульса будет равна
(14.4)
Кроме динамической вязкости вводится также кинематическая вязкость , которая характеризует быстроту выравнивания скорости течения жидкости. Импульс – динамическая характеристика движения. Он входит в основное уравнение динамики (14.3), а скорость – кинематическая характеристика и она равна импульсу, деленному на массу. Поэтому вводят таким образом
, (14.5)
где – плотность жидкости.
Представленные соотношения позволяют рассмотреть задачу о вычислении расхода несжимаемой жидкости, текущей в горизонтальной круглой прямолинейной трубе с постоянной площадью поперечного сечения при заданном перепаде давлений .
Эта задача имеет большое практическое значение: организация работы нефтепроводов, обычного водопровода безусловно требует ее решения. Будем полагать, что нам заданы длина трубы , ее радиус , давление на концах трубы и ( ), а также плотность жидкости и ее вязкость .
Из решения этой задачи следует, что текущая в трубе жидкость имеет, как говорят, параболический профиль скоростей: скорость меняется по квадратичному закону от нуля на стенке до максимального значения ( ) в центре трубы (рис. 14.2).
А расход – полный объем жидкости, вытекающей из трубы за 1 с ( ), равен:
(14.6)
Это соотношение называется формулой Пуазейля. Отличительной чертой (14.6) является сильная зависимость : . Очевидно, что это уравнение играет важную роль в физиологии нашего кровообращения. Заметим также, что капиллярная система человека имеет длину 105 км (2,5 окружности Земли).
Рассмотренное течение жидкости по трубе характерно своей упорядоченностью и плавностью: каждая частица жидкости движется по определенной прямолинейной траектории, и вся картина течения представляет собой как бы движение различных слоев жидкости с различными скоростями друг относительно друга. Такое правильное, стационарное течение жидкости называют ламинарным (слоистым). Формула Пуазейля применима только для ламинарного течения жидкости.
При достаточно больших скоростях ламинарное течение становится неустойчивым, хаотичным и переходит в так называемое турбулентное течение. (латинское lamina – “пластина”, turbulentus – “бурный”, “беспорядочный”). Представление о турбулентном течении можно получить, если постепенно открывать водопроводный кран: тонкая струйка течет сначала плавно, но с увеличением скорости плавность течения нарушается, частицы жидкости перемешиваются уже беспорядочно, и движение сопровождается сильным перемешиванием.
Для того, чтобы оценить характер течения жидкости, вводится безразмерная величина , называемая числом Рейнольдса.
(14.7)
здесь – средняя скорость потока, – характерный размер (в случае течения жидкости в трубе это диаметр трубы ).
Опытные данные показывают, что существует критическое число Рейнольдса, при превышении которого происходит переход из ламинарного режима в турбулентный. Но сама величина не универсальна – она зависит от геометрии системы. Для случая течения жидкости в трубе .