1. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ И ГИДРОСТАТИКИ
Для изучения физических свойств капельных жидкостей используется портативная лаборатория «Капелька»: корпус с отдельными прозрачными герметичными полостями, в которые встроены 5
Сприборов с исследуемыми жидкостями (рис.1).
и б А Д Рис. 1. Планшет портативной лаборатории «КапелькаИ» для изучения
физических свойств капельных жидкостей
Планшет позволяет демонстрировать работу приборов для измерения основных физических параметров жидкостей, а также приобрести навыки измерения плотности, температурного расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей и сравнить опытные значения со справочными. Приборы 3–5 начинают работать после перевертывания планшета.
Для удобства описания лабораторных приборов используем схему планшета (рис. 2).
4
1.1. Определение опытным путём плотности жидкости
Цель работы: определить опытным путём плотность аэрометрической жидкости.
Приборы и инструменты:
Сприбор 1].
- аэрометр лабораторный в ёмкости с водой [портативная лабо-
ратория «Капелька» (см. рис.2), прибор 2];
- термометр [портативная лаборатория «Капелька» (см. рис.2),
и б А Рис. 2. Схема планшета портативной лаборатории «Капелька»:
1 – термометр; 2 – ареометр; 3 – вискозиметр Стокса; 4 – капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр
Ареометр представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и небольшим грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении (см. рис. 1).
Ареометр – это прибор, используемый для определения плотно- |
|
Д |
|
сти жидкости поплавковым методом. |
И |
|
|
Метод определения плотности основан на равенстве силы тяжести ареометра и выталкивающей (архимедовой) силе со стороны жидкости.
Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра.
5
Порядок выполнения работы:
1. Измерить глубину погружения ареометра h по миллиметровой шкале на нём.
|
2. Вычислить плотность ареометрической жидкости (воды). |
|
|
||||||||||||||||
|
3. равнить опытное значение плотности воды ρ со справочным |
||||||||||||||||||
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
значением |
ρ* (табл. П.1.1), предварительно измерив температуру ок- |
|||||||||||||||||
|
ружающей среды t, по прибору 1 (см. рис. 2). |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
Обработка опытных данных |
|
|
|
|
|||||||||||
|
Плотность есть масса жидкости в единице занимаемого объёма. |
||||||||||||||||||
|
тяжести |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
ла |
|
|
ареометра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
G mg , |
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
||||
|
где m – масса ареометра; g – ускорение свободного падения. |
|
|
|
|||||||||||||||
|
Выталк вающая (архимедова) сила |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
F gWпогр , |
|
|
(2) |
|
||||||||
|
где ρ – плотность ж дкости; Wпогр |
|
– объём погружённой части арео- |
||||||||||||||||
|
метра. |
|
|
А |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
W |
|
|
d 2 |
h |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
(3) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
бпогр |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где d – внешний диаметр ареометра. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Плотность жидкости |
|
Д |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
m /W . |
|
|
|
|
(4) |
|
||||||
|
Определить опытное значение плотности по формуле |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
d 2 h . |
|
|
|
|
(5) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||
|
Масса и внешний диаметр ареометра указаны на планшете пор- |
||||||||||||||||||
|
тативной лаборатории (см. рис. 1). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Все необходимые для расчёта и данные занести в табл. 1. |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
Опытные и расчётные данные для определения плотности жидкости |
|
|
||||||||||||||||
|
Вид жидкости |
|
m, г |
|
d, см |
|
|
|
h, см |
|
3 |
t, °С |
|
3 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
ρ, г/см |
ρ*, г/см |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
5 |
6 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В выводе привести сравнительный анализ опытного значения плотности воды ρ с рекомендуемым (справочным) значением ρ*.
6
|
|
Контрольные вопросы |
|
|
1. |
Как называется прибор, измеряющий плотность жидкости? |
|||
2. |
Что является мерой плотности жидкости по ареометру? |
|||
3. |
На чём основан поплавковый метод определения плотности |
|||
жидкости? |
|
|
|
|
4. |
Зависит ли величина плотности жидкости от объёма погру- |
|||
жённой части ареометра? |
|
|
|
|
5. |
Изменяется ли числовое значение плотности воды с повыше- |
|||
нием температуры? |
|
|
|
|
6. |
Изменяется ли числовое значение плотности воды с пониже- |
|||
нием температуры? |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
7. |
При какой температуре плотность воды максимальна? |
|||
8. |
Од наковы ли числовые значения плотности у воды и спирта? |
|||
9. |
Как е ж |
(растворы) имеют плотность больше, чем у |
||
воды? |
|
|
|
|
10. Как е ж |
(растворы) имеют плотность меньше, чем у |
|||
дкости |
|
|
||
воды? |
|
|
|
|
|
1.2. Определение опытным путём |
|
||
коэффициентабтемпературного расширения жидкости |
||||
Цель работы: определить опытным путём коэффициент темпе- |
||||
ратурного расширения жидкости. |
|
|
||
Приборы и инструменты: |
|
|
||
|
А |
|
||
- термометр спиртовой [портативная лаборатория «Капелька» |
||||
(см. рис.2), прибор 1]; |
|
|
|
|
- линейка. |
|
Изменение |
||
|
|
|
||
Термометр – это прибор, используемый для определения тем- |
||||
пературы жидкости или окружающейДсреды. |
||||
Термометр представляет собой стеклянный баллон с капилля- |
||||
ром, заполненным термометрической жидкостью (этиловым спир- |
||||
том), и шкалой. Принцип его действия основан на температурном |
||||
расширении термометрической жидкости. |
|
температуры |
||
окружающей среды приводит к изменению объёма и соответственно уровня жидкости в капилляре. Уровень на шкале указывает на значение температуры.
Метод определения коэффициента температурного расширения основан на мысленном эксперименте, т.е. предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до
7
верхнего (предельного) значения термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l. Этот опыт можно провести также и в реальных температурных условиях.
Порядок выполнения работы:
1. Линейкой измерить расстояние между крайними делениями на шкале термометра l.
2. В шкале термометра подсчитать общее число градусных делений ∆T.
3. Выч сл ть пр ращение объёма термометрической жидкости
(этилового сп |
рта) ∆W. |
|
|
|
|
|
|
||
С |
|
|
|
|
|
|
|
||
4. Выч сл ть коэффициент температурного расширения βt. |
|
||||||||
5. равн ть опытное значение коэффициента температурного |
|||||||||
|
я со справочным значением βt* при t = 20 °C. |
|
|||||||
|
|
|
О ра отка опытных данных |
|
|||||
расширен |
|
|
|
|
|
|
|||
Температурное расширение – способность жидкости изменяться |
|||||||||
в объёме при |
зменен температуры – характеризуется коэффициен- |
||||||||
том температурного расширения t, который выражает относительное |
|||||||||
изменение |
|
жидкости при изменении температуры на один |
|||||||
|
объёма |
|
|
||||||
градус. Коэффициент температурного расширения капиллярных жид- |
|||||||||
костей изменяется незначительно, но в практике расчёта отопитель- |
|||||||||
ных систем его учитывают. |
|
|
|
|
|
|
|||
1) Определить приращение объёма термометрической жидкости |
|||||||||
как объём цилиндра: |
А |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
W r 2l , |
|
(6) |
||||
где r – радиус капилляра термометра. |
|
|
|||||||
2) Вычислить коэффициент |
температурного расширения |
по |
|||||||
формуле |
|
|
|
Д |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
W , |
|
(7) |
|
|
|
t |
|
|
||||
|
|
|
|
|
T W |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где W – начальный объём термометрической жидкости при 0 °C. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
Радиус капилляра термометра и начальный объём термометрической жидкости указаны на планшете портативной лаборатории (см. рис. 1). Все необходимые для расчёта и последующего сравнения данные занести в табл. 2.
8
Таблица 2
Опытные и расчётные данные для определения коэффициента температурного расширения
|
Вид |
r,см |
|
W, см3 |
∆T, °C |
l, см |
∆W, см3 |
βt, °C-1 |
βt*, °C-1 |
|
жидкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|||
В выводе пр вести сравнительный анализ опытного значения коэфф ц ента температурного расширения со справочным значением
βрасширенияt* (табл. П.1.3). Контрольные вопросы
1. Как м пр ором можно воспользоваться для определения ко-
3.Чтобпредполагает мысленный эксперимент?
4.Зав с т ли коэффициент температурного расширения жидкости от радиуса капилляраАтермометра?
5.Изменяется ли коэффициент температурного расширения жидкости при увеличении температуры жидкости?
6.Изменяется ли коэффициент температурного расширения жидкости при уменьшении температурыДжидкости?
7.Является ли значение коэффициента температурного расширения постоянным для данного вида жидкости?
8.Одинаковы ли числовые значения коэффициента температурного расширения у воды и этилового спирта?
9.Каковы единицы измерения коэффициентаИтемпературного расширения жидкости?
10.У каких жидкостей коэффициент температурного расширения меньше, чем у этилового спирта?
Цель работы: определить опытным путём кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Приборы и инструменты:
- вискозиметр Стокса [портативная лаборатория «Капелька» (см. рис.2), прибор 3];
9