- •Содержание
- •Лабораторные работы
- •Предисловие
- •Физические измерения. Обработка и оформление результатов измерений
- •Погрешности прямых измерений
- •Элементы теории погрешностей
- •Учет инструментальной и случайной погрешностей
- •Исключение промахов
- •Пример обработки результатов прямых измерений
- •Погрешность косвенных измерений а. Числовая оценка и погрешность косвенных измерений
- •Б. Учет погрешностей, обусловленных неточностью математических и физических констант, табличных данных и т.Д.
- •Некоторые советы и рекомендации к расчетам и вычислениям
- •Графические методы обработки результатов измерений
- •Примерный план отчета по лабораторному исследованию
- •Изучение статистических методов обработки опытных данных
- •Порядок выполнения работы
- •Вопросы
- •Определение момента инерции тел методом трифилярного подвеса
- •О писание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Сложение гармонических взаимно перпендикулярных колебаний
- •Описание прибора
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы и упражнения
- •Литература
- •Определение скорости звука в воздухе интерференционным методом
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение вязкости жидкости по методу стокса
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Вязкость водных растворов глицерина
- •Определение отношения удельных теплоемкостей газа методом адиабатического расширения (метод Клемана и Дезорма)
- •Теория метода и описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение влажности воздуха при помощи психрометра
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование свойств поверхностного слоя жидкости
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Знакомство с основными электроизмерительными приборами Основные электроизмерительные приборы
- •Из приведенной относительной погрешности к можно рассчитать абсолютную (приборную) погрешность а рабочего электроизмерительного прибора
- •Краткая характеристика некоторых систем приборов
- •Многопредельные приборы
- •Правила пользования многопредельными приборами
- •Вспомогательные электрические приборы и оборудование. Сборка электрических схем
- •О монтаже электроизмерительных установок
- •Правила техники безопасности при монтаже электрических схем и производстве измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Измерение температуры терморезистором
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Измерение температуры термопарой
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы полупроводникового диода
- •О писание установки
- •Основные данные плоскостных полупроводниковых диодов
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы электронного осциллографа
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля земли
- •Элементы земного магнетизма
- •Р ис. 3. Внешний вид и схема включения тангенс-буссоли. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Измерение размеров малых объектов с помощью микроскопа
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение показателя преломления жидкости
- •О писание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Б) результаты измерений занесите в таблицу:
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Исследование линейчатых спектров испускания
- •Описание ртутной лампы
- •Длины волн некоторых линий спектра ртути
- •Порядок выполнения работы
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение концентрации сахара в растворе поляриметром
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение работы газового лазера
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение закона радиоактивного распада
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Порядок выполнения работы
1. Включаем звуковой генератор, которым задается определенная частота . Частота, устанавливаемая на генераторе, выбирается в диапазоне 2000–3500 Гц.
2. Трубка В постепенно выводится до тех пор, пока не будет обнаружен первый минимум интенсивности звука. При этом берется соответствующий отсчет n1 по шкале S. Согласно уравнению (3) разность хода звуковых волн в трубках А и В будет
. (4)
3. Смещение трубки В продолжается до обнаружения второго минимума интенсивности звука. При этом по шкале S берется отсчет n2. Соответствующая разность хода звуковых волн
. (5)
Так как смещение указателя на (n2 – n1)см означает увеличение разности хода на 2(n2 – n1)см, то из (4) и (5) получаем:
.
4. По формуле (2) определяем скорость звука vt при комнатной температуре. Температура опыта измеряется по настенному термометру в лаборатории.
5. Аналогичные опыты повторяют на других частотах.
6. Вычисляют среднее значение .
7. По формуле (1), зная среднее значение , вычисляют скорость звука в воздухе при 0°С, т.е. v0. Сравнивают полученный результат со справочными данными.
8. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу.
, Гц |
n1, м |
n2, м |
, м |
vt, м/с |
, м/с |
v0, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой звук? Укажите физические характеристики звука.
2. Перечислите характеристики слухового ощущения и укажите, как они связаны с физическими характеристиками звука.
3. Ультразвук. Инфразвук.
Литература
1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 5.2.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§ 158, 160.
3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§ 57, 58, 65.
Лабораторная работа № 5
Определение вязкости жидкости по методу стокса
Приборы и принадлежности: установка для определения вязкости по методу Стокса, шарики, микрометр, секундомер, линейка, ареометр. Цель работы: изучение движения тел в вязкой жидкости и измерение вязкости.
Всем реальным жидкостям и газам присуща вязкость (внутреннее трение). Микроскопическое движение, возникающее в жидкости или газе, постепенно уменьшается из-за сил внутреннего трения после прекращения действия причин (сил), вызывающих это движение.
Явление вязкости в жидкости и газах можно рассматривать следующим образом. Пусть два слоя жидкости или газа, отстоящие друг от друга на расстоянии dx, имеют скорости v1 и v2. Со стороны слоя, который движется быстрее, на слой, который движется медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, на быстрый слой действует тормозящая сила со стороны медленного слоя. Это силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоя. Они тем больше, чем больше площадь соприкасающихся слоев, и зависят от изменения скорости течений жидкости (газа) при переходе от слоя к слою (уравнение Ньютона)
, (1)
где – изменение скорости, отнесенное к расстоянию между слоями в направлении, перпендикулярном скорости (градиент модуля скорости); S – площадь соприкосновения слоев; – динамическая вязкость жидкости (газа).
Для жидкостей, течение которых подчиняется уравнению (1), вязкость не зависит от градиента скорости. Такие жидкости называются ньютоновскими, а вязкость – нормальной. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению (1), называются неньютоновскими, а их вязкость – аномальной.
Жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул, например растворы полимеров, и образующие благодаря сцеплению молекул или частиц пространственные структуры, являются неньютоновскими. Их вязкость при прочих равных условиях много больше, чем у простых жидкостей. Увеличение вязкости происходит потому, что при течении этих жидкостей работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной, ньютоновской силы трения, но и на разрушение структуры.
Неньютоновской жидкостью является и кровь, так как содержит белки и клетки крови, представляющие собой структурированные образования.
Вязкость крови человека обычно колеблется от 4 до 5 мПас, а при патологии может измениться от 1,7 до 22,9 мПас. Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается.
Изменение вязкости крови – одна из причин изменения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).
Вязкость зависит от природы жидкости или газа, от температуры, от давления при низких температурах. Вязкость газов увеличивается при повышении температуры, жидкостей – уменьшается.
Различный характер зависимости вязкости жидкостей и газов от температуры указывает на различный механизм их внутреннего трения. Уравнивание скоростей движения соседних слоев газов можно объяснить тем, что из слоя газа, движущегося с большой скоростью, переносится количество движения к слою, у которого скорость меньше, и наоборот.
В жидкостях внутреннее трение обусловлено действием межмолекулярных сил. Расстояния между молекулами жидкости сравнительно невелики, а силы взаимодействия значительны. Молекулы жидкости, подобно частицам твердого тела, колеблются около положения равновесия, но эти положения равновесия не являются постоянными. По истечении некоторого времени, называемого временем «оседлой жизни», молекула скачком переходит в новое положение равновесия на расстояние, равное среднему расстоянию между соседними молекулами.
Среднее время «оседлой жизни» молекулы называется «временем релаксации». С повышением температуры и понижением давления время релаксации сильно уменьшается, что обусловливает большую подвижность молекул жидкости и малую ее вязкость.
Зависимость вязкости жидкости от температуры имеет сложный характер. Чем чаще молекулы меняют свои положения равновесия, тем более текуча и менее вязка жидкость, т.е. вязкость жидкости прямо пропорциональна времени релаксации: ~ .
Для того чтобы молекула жидкости перескочила из одного положения равновесия в другое, должны нарушаться связи с окружающими ее молекулами и образовываться связи с новыми соседями. Процесс разрыва связей требует затраты энергии Еа (энергия активации), выделяемой при образовании новых связей. Такой переход молекулы из одного положения равновесия в другое называется переходом через потенциальный барьер высотой Еа. Энергию для преодоления потенциального барьера молекула получает за счет энергии теплового движения соседних молекул.
П ри движении тела в вязкой жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этого сопротивления двояко. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей, сила сопротивления обусловливается вязкостью жидкости. Слои жидкости, прилегающие к телу, увлекаются ими. Между этими слоями и следующими возникают силы трения.
Второй механизм сил сопротивления связан с образованием вихрей. Часть работы, совершаемой при движении тела в жидкости, идет на образование вихрей, энергия которых переходит во внутреннюю энергию.
Согласно закону Стокса, при движении шарика в вязкой жидкости с небольшой скоростью, когда нет вихрей, сила сопротивления равна:
, (2)
где r – радиус шарика, v – скорость его движения, – вязкость жидкости.
На движущийся шарик в жидкости действуют три силы:
сила сопротивления FC (2),
сила тяжести Р = mg,
выталкивающая сила FB (рис.1).
, (3)
, (4)
где – плотность вещества шарика, ж – плотность жидкости, – объем шара.
Сила тяжести и выталкивающая силы постоянны по модулю, сила сопротивления прямо пропорциональна скорости. При движении шарика в жидкости наступает момент, когда все три силы уравновешиваются и шарик начинает двигаться равномерно:
или ,
откуда . (5)
Метод Стокса достаточно прост и не требует специального и сложного оборудования, однако его применение в биологических и медицинских исследованиях ограничено, так как для него необходимы большие количества исследуемой жидкости.