Омский государственный аграрный университет

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям

по дисциплине «Физика»

РАЗДЕЛ Молекулярная физика и термодинамика

6-е издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано методической комиссией

факультета МОЕНД

ОМСК 2003

Авторы: ст. преп. Тимонин В.А.,Чиж Е.И., Быкова Н.П., Сигиденко В.П.

доц. Иванов А.Ф., Прудникова И.А.

Рецензент доцент Ивановская К.П.

Ответственный за выпуск доцент Прудникова И.А.

Омский государственный аграрный университет

Кафедра физики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным занятиям

по курсу «Физика»

РАЗДЕЛ Молекулярная физика и термодинамика

6 – е издание , переработанное и дополненное

Рекомендовано методической комиссией

факультета МОЕНД

ОМСК 2003

Введение

Данные методические указания разработаны по дисциплине ЕН-03"ФИЗИКА", в соответствии со всеми рабочими программами по этой дисциплине, предназначенными для всех специальностей и видов обучения студентов первого курса факультетов механизации, водохозяйственного строительства, технологии молочных продуктов, аграрного, агрохимического и землеустроительного факультетов.

Цель данных методических указаний – помочь студентам выполнить лабораторные работы, научить правильно, определять погрешности и производить необходимую математическую обработку результатов эксперимента.

Методические указания включают в себя лабораторные работы по следующим темам:

1. «Механика жидкости» (Л.Р. 1,2,3,),

2. «Термодинамика» ( Л.Р.4).

Трудоемкость каждой лабораторной работы равна 2 часа аудиторной работы и 2 часа внеаудиторной работы.

Трудоемкость по изучению всей дисциплины "ФИЗИКА" зависит от того, студентам какого факультета и какой специальности она предназначена.

Процесс выполнения лабораторных работ включает теоретическую подготовку, знакомство с приборами и принадлежностями, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и написание отчета по выполненной работе.

Теоретически подготовиться к выполнению эксперимента студент должен самостоятельно. Необходимо внимательно проработать указания к данной лабораторной работе, а для более глубокого изучения рассматриваемого явления следует обратиться к литературе, помещенной в конце указаний.

Опыт и измерения выполняют в аудитории после краткого собеседования с преподавателем по контрольным вопросам, которые приводятся в конце каждой лабораторной работы.

Трудоемкость изучения дисциплины "ФИЗИКА" по специальностям ОмГАУ

Специальности	Всего, час
	по дисциплине	в том числе по разделам
		всего	из них лаб. занятий
260400, 310200, 310300, 310600	200	40	20
310100, 320400	200	40	20
320500	400	80	40
300100	484	90	45
311300, 311400, 311900	400	80	40
311100, 310900, 311000	300	60	30
271100	350	70	35
311600	400	80	40

Данная методическая разработка издается в комплексе с заданиями к самостоятельной работе студентов по физике.

Общие рекомендации

Процесс выполнения лабораторных работ включает теоретическую подготовку, знакомство с приборами и принадлежностями, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и написание отчета по выполненной работе.

Теоретически подготовиться к выполнению эксперимента студент должен самостоятельно. Необходимо внимательно проработать указания к данной лабораторной работе, а для более глубокого изучения рассматриваемого явления следует обратиться к литературе, помещенной в конце указаний.

Опыт и измерения выполняют в аудитории после краткого собеседования с преподавателем по контрольным вопросам, которые приводятся в конце каждой лабораторной работы.

Теоретическая подготовка завершается составлением отчета в тетради для лабораторных работ по следующему плану:

а) название работы;

б) цель ее;

в) явления, положенные в основу этой работы;

г) терминология: модели, физические понятия, физические величины (определения, определяющие уравнения); принципы и законы, формулы связи;

д) принципиальная и рабочая схемы установки;

е) расчетная формула;

ж) таблица измеряемых и расчетных величин;

з) оценка результатов измерений (сравнить с табличными, объяснить вид графика);

и) источник ошибок и погрешностей (при выполнении лабораторной работы, при изготовлении установки).

Лабораторная работа 1 ( 4 часа)

Определение коэффициента вязкости жидкости.

Цель работы: определить коэффициент вязкости жидкости (глицерина, касторового масла) методом Стокса.

Приборы: стеклянный сосуд с исследуемой жидкостью (глицерин, касторовое масло), измерительный микроскоп малого увеличения с окулярным микрометром, стальной шарик.

Описание метода измерения.

На шарик, свободно падающий в жидкости, действуют три силы: а) сила тяжести mg; б) выталкивающая сила F_A (сила Архимеда); в) сила вязкого сопротивления F_C (сила внутреннего трения), обусловленная силами внутреннего трения между слоями жидкости. Подчеркнем, что здесь играет роль не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга. При соприкосновении твердого тела с жидкостью к поверхности тела тотчас же прилипают молекулы жидкости, тело обволакивается слоями жидкости и связывается с ними межмолекулярными силами. Непосредственно прилегающей к шарику слой жидкости движется вместе с шариком со скоростью движения шарика. Этот слой увлекает в своем движении соседние слои жидкости. Если прилегающий к шарику слой жидкости движется со скоростью шарика, то остальные слои движутся с все уменьшающейся скоростью.

Направление сил, действующих на шарик, показано на рис.1.1

Рис.1.1 Рис.1.2

Эти силы можно рассчитать по следующим формулам:

где

m ,m_ж – масса шарика в жидкости;

p,p_ж – плотность шарика и жидкости;

r – радиус шарика;

V – скорость падения шарика;

η – коэффициент вязкости.

Движение шарика, падающего в вязкой жидкости, лишь в первое время будет ускоренным (на расстоянии 3-4 см от поверхности жидкости). С увеличением скорости возрастает сила вязкого сопротивления, (остальные силы не изменяются) и с некоторого момента движение можно считать равномерным. Поэтому

(второй закон Ньютона для равномерного поступательного движения). Откуда

то есть

отсюда

Для средней части сосуда, ограниченной рисками А и В (рис.1.2), где движение шарика равномерное, скорость

где l – расстояние между рисками А и В, равное 15 см;

t– время падения между рисками А и В.

Учитывая равномерное движение шарика, коэффициент запишется следующим образом:

,

где d – диаметр шарика.

Это уравнение справедливо лишь тогда, когда шарик падает в безграничной среде. Если шарик падает вдоль оси узкой трубки радиусом R, то приходиться учитывать влияние боковых стенок. Чтобы же вносить поправку, в нашей лабораторной работе берется достаточно широкий сосуд.

Задание. Определить коэффициент вязкости жидкости.

1. Учитывая увеличение микроскопа, измерить диаметр шарика в различных направлениях.

2. Бросить шарик в жидкость (в центр цилиндра так, чтобы он шел по осевой линии, по возможности дальше от стенок) и определить по секундомеру время равномерного падения.

3. Вынуть шарик из жидкости с помощью магнита.

4. Эти измерения повторить пять раз, результаты внести в таблицу и рассчитать среднее значение коэффициента вязкости <h>.

5. Рассчитать абсолютную погрешность по правилам обработки погрешности прямых измерений. Доверительный интервал определить при a= 0,95.

Окончательное значение коэффициента вязкости записать в виде

Таблица1.1

Определение коэффициента вязкости жидкости.

Номер измерения	d, м	t, с	l, м	r, кг/м3	rж ,кг/м3	h, Н . с/м2	<h>, Н . с/м2

Контрольные вопросы.

1. Что называется явлением переноса?

2. Какие явления переноса вы знаете?

3. Назовите сравнительные характеристики явлений переноса.

4. Какое явление переноса положено в основу этой работы?

5. Назовите существенные признаки этого явления.

6. Какие законы использованы при выводе рабочей формулы (три динамических закона, один кинетический). Сформулируйте каждый закон и математически запишите.

7. Проведите анализ сил, действующих на шарик (укажите природу сил и объясните изменений их значений с высотой падения шарика).

8. В чем заключается метод Стокса?

9. Физический смысл коэффициента вязкости, единицы его измерения.

10. Физический смысл градиента скорости.

11. Как зависит вязкость от температуры?

12. При каком условии сопротивление движению шарика пропорционально скорости?

13. Какое движение называется ламинарным?

14. Опишите характер поступательного движения шарика в жидкости.

15. Почему нет смысла измерять скорость шарика у поверхности жидкости и у дна сосуда?

Литература: ( 1.§49-52,60)

Лабораторная работа 2. (4 часа).

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва кольца и методом Ребиндера.

Приборы и принадлежности: установка для определения силы поверхностного натяжения, разновес штангенциркуль, кювета.

Описание установки и метода измерений.

Как известно, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости:

, (1) В данной работе коэффициент поверхностного натяжения определяется по величине силы, которую нужно приложить для отрыва кольца от поверхности жидкости (вернее для разрыва жидкости по линии кольца, так как на кольце при отрыве всегда остаются капли жидкости).

Рис. 2.1

Установка (рис.2.1) представляет собой пружину 2, подвешенную на специальном штативе с делениями 1, вдоль которого может перемещаться горизонтальная площадка 5. К нижнему концу пружины прикрепляется кольцо 4 с пластинкой 3 над ним.

Отрыв кольца от поверхности жидкости происходит, когда сила поверхностного натяжения и сила упругости пружины уравновешиваются.

|F|=|F_упр|=K∆X₁, (2)

где DX₁ – удлинение пружины в момент отрыва;

K– коэффициент упругости пружины.

Если положить на пластинку над кольцом разновес и заметить при этом, на сколько удлинится пружина (DХ), то можно определить коэффициент упругости по закону Гука

Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения можно рассчитать по формуле

(3)

где D₁ , D₂ – внешний, внутренний диаметр кольца.

Задание. Определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва кольца.

1. Установить кольцо строго горизонтально. Поднять площадку с кюветой настолько, чтобы кольцо коснулось поверхности жидкости одновременно всеми точками нижнего основания. По шкале заметить положение указателя C₀.

2. Медленно спускать площадку с кюветой до тех пор, пока не произойдет отрыв кольца от поверхности жидкости. В момент отрыва заметить положение указателя Х₁. Определить удлинение пружины

3. Убрать с площадки кювету. Заметить по шкале положение нагруженной пластины Х₀ . 4. Положить на пластину разновес m = 2000 мг. и определить положение указателя Х₂.Определить, на сколько делений шкалы опустилась пластина

5. Измерить штангенциркулем внутренний и внешний диаметр кольца D₁ и D₂.

6. Задания , описанные в пунктах 1.1-1.5, повторить пять раз и результаты занести в табл.2.1.

7. Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения для каждого измерения по формуле 3.

8. Рассчитать среднее значение коэффициента поверхностного натяжения и сравнить его с табличным.

9. Рассчитать абсолютную погрешность по правилам оценки случайной погрешности прямых измерений. Результаты занести в табл.2.2.

Окончательный результат представить в виде

Таблица2.1