fizpr

Коэффициент внутреннего трения зависит от рода жидкости и ее температуры.

Описание прибора и метода Стокса

Прибором Стокса является цилиндрический стеклянный сосуд с налитой в него жидкостью (в данном случае глицерин). На сосуде нанесены метки А и В, движение шариков между которыми можно считать постоянным, равномерным (рис.1). Чтобы шарик двигался по центру сосуда, его необходимо бросить сквозь воронку.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки На шарик в жидкости будет действовать три силы (рис.1): сила

тяжести P , сила Архимеда FA и сила внутреннего трения FT между слоями жидкости.

Сила тяжести направлена вниз

где mк = ρк ×Vк - масса шарика, кг;

61

ρк - плотность шарика, кг ;

м3

Vк = 4 π rк3 - объем шарика, м3;

3

rк - радиус шарика, м;

g = 9,8 м - ускорение свободного падения.

с2

R

Сила Архимеда FA (выталкивающая сила) направлена вверх и равняется весу вытесненной жидкости

движения шарика. Подчеркиваем, что здесь играет роль не трение шарика об жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг об друга, поскольку при соприкосновении твердого тела с жидкостью к поверхности тела немедленно прилипают молекулы жидкости. Тело обволакивается слоями жидкости и связанными с ними межмолекулярными силами. Непосредственно близлежащий к телу слой жидкости двигается вместе с телом со скоростью движения тела. Этот слой вовлекает в своем движении соседние слои жидкости, которые на некоторый период приходят в плавное безвихревое движение (если малые скорости и маленькие шарики).

62

Сначала скорость движения шарика будет возрастать, но поскольку по мере увеличения скорости шарика сила сопротивления также будет возрастать, то наступит такой момент, когда сила тяжести

P будет уравновешиваться суммой сил +, и равнодействующая сила станет равной нулю. Итак, согласно первому закону Ньютона, шарик будет двигаться с постоянной скоростью, а такое движение называется равномерным.

F = P + FT + FA

F = P − (FT + FA ) = 0

Для средней части сосуда, ограниченной метками А и В (рис.1), где движение равномерное, скорость будет равняться

υ= l , t

где l - расстояние, t - время падения шарика между рисками А і

В.

Формула (6) дает достаточно точный результат, если диаметр используемого сосуда не меньше 5 диаметров шарика.

Порядок выполнения работы

1.Микрометром измерить диаметр шарика (не менее 3 раз). Полученные данные занести в таблицу 1.

2.Опустить шарик в жидкость сквозь воронку. Глаз наблюдателя должен находиться напротив верхней метки так, чтобы она сливалась в одну прямую.

3.Измерить время движения шарика от верхней метки до нижней. Полученные данные занести в таблицу 1.

4.Масштабной линейкой измерить расстояние между метками. АВ.

5.Определить коэффициент вязкости η.

6.Опыт повторить 4-7 раз с другими шариками.

7.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

8.Рассчитать погрешность определения η методом Стьюдента

Таблицв 1. Результаты измерений и вычислений

64

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Основные положения молекулярно-кинетической теории.

2.Написать уравнение Стокса.

3.Как движется шарик с момента погружения в жидкость до первой метки? Почему?

4.Как изменится движение шарика в жидкости, если ее нагреть?

5.Что такое коэффициент вязкости жидкости?

6.Все ли силы, действующие на шарик в методе Стокса постоянные?

7.Почему сила Стокса меняется и по всей ли длине пути?

8.От чего зависит коэффициент вязкости в общем случае?

9.Чему равна сила Архимеда, действующая на шарик в жидкости?

65

3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 301

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ ОМА ДЛЯ ОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ И ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ

Цель работы: получить навыки работы с электроизмерительными приборами, экспериментально проверить законы Ома для однородного участка цепи и для полной цепи.

Приборы и оборудование: вольтметр, миллиамперметр, источник питания, набор резисторов, установленных на монтажной панели, соединительные провода, таблица с условными обозначениями.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Законы Ома для однородного участка цепи и для полной цепи", "Последовательное и параллельное соединение сопротивлений" и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

1. Знакомство с электроизмерительными приборами

Электроизмерительные приборы, которые используются для измерения электрических величин, классифицируются:

66

- по роду измеряемой величины (амперметры, вольтметры,

омметры, ваттметры и др.);

- по роду тока, т.е. приборы постоянного тока, сменного тока, универсальные (постоянного и переменного токов);

приборы делятся на:

аналоговые - приборы, в которых вдоль шкалы перемещаются любые указатели (стрелка, "зайчик") или наоборот мимо указателя перемещается шкала (вращающийся барабан);

цифровые (информация выдается в виде числа на цифровом индикаторе);

В данной работе знакомятся с аналоговыми приборами. Основными характеристиками электроизмерительных приборов

есть: предел измерения, цена деления, класс точности.

Пределом измерения прибора называют то значение измеренной величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы.

На практике широко используют многопредельные приборы. Внутреннее сопротивление таких приборов изменяется с изменением предела измерения.

Цена деления определяется значением электрической величины, которая вызывает отклонение указателя на одно деление, т.е. цена деления - разность значений измеренной величины двух соседних меток шкалы прибора.

Для того, чтобы определить цену деления прибора, необходимо предел измерения прибора разделить на число делений шкалы, т.е.

67

где Атах – предел измерения; N - число делений шкалы.

Вкачестве примера определим цену деления миллиамперметра

сграницей измерения 300 mA, шкала которого имеет 75 делений. Согласно вышесказанному цена деления будет :

С = 300тА = 4 тА . 75дел дел

Если при измерении силы тока стрелка отклонится, например, на 10 делений, то это отклонение будет отвечать току:

I = С ×10 = 4 тА ×10дел = 40тА дел

Класс точности прибора п – показывает максимальную погрешность прибора, выраженную в процентах. Наиболее распространенные значения класса точности 0.5, 1.0, 1.5, 2.0.

Подключение вольтметра (милливольтметра, микровольтметра и др.) в электрической схеме показано на рисунке 1, а амперметра (миллиамперметра, микроамперметра) - на рисунке 2. При измерении электрических величин вольтметр подключается параллельно нагрузке, а амперметр - последовательно с нагрузкой.

При включении электроизмерительных приборов в электрическую цепь они влияют на ее режим. Степень влияния прибора на режим цепи определяется его внутренним сопротивлением Rвн. На лицевой панели приборов обычно указывается для вольтметров ток полного отклонения Iп, для амперметров - падение напряжения Un на сопротивлении прибора, при котором через амперметр протекает ток Imax. Зная Iп, Un, Umax и Imax, можно определить внутреннее сопротивление приборов следующим образом:

Iп

В том случае, когда на лицевой панели амперметра не приведено значения Un, его внутреннее сопротивление может быть определено таким образом. Параллельно амперметру, согласно рисунку 3, подключают вольтметр и меряют падение напряжения на амперметре.

Внутреннее сопротивление оценивают по формуле:

RвнА = U А

I А

где IА – показания амперметра.

69V Iv

Рисунок 3

2. Проверка законов Ома

Для однородного участка электрической цепи, который не содержит источник электродвижущей силы (гальванического элемента, аккумулятора, термопары, источника фотоЭДС и др.) закон Ома заключается в том, что сила тока на этом участке прямо пропорциональна падению напряжения на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I = U ,

R

где I - сила тока, А;

U - падение напряжения на участке, В;

R - сопротивление участка цепи, Ом.

Закон Ома для полной цепи утверждает, что сила тока в цепи постоянного тока прямо пропорциональна полной электродвижущей силе (ЭДС) во всей цепи и обратно пропорциональна полному сопротивлению всей цепи:

где I - сила тока в цепи, А; ε - ЭДС в цепи, В;

R =(Rн + r) - полное сопротивление всей цепи, Ом; R - внешнее сопротивление, Ом;

r - внутреннее сопротивление источника тока, Ом.

Полная ЭДС ε всей цепи равняется алгебраической сумме всех

ЭДС, которые действуют в этой цепи. 70