Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Молекулярная физика

в лабораторных работах данного раздела физики учащиеся знакомятся с особенностями процессов, протекающих в молекулярных системах, и осваивают методы определения важнейших параметров, характеризующих жидкое и газообразное состояния вещества. Студентам рекомендуется четко разделять при действии установок стационарные процессы, неравновесные процессы и равновесные состояния.

Лабораторная работа № 2-2

Определение коэффициента вязкости жидкости и числа Рейнольдса методом падающего в жидкости шарика

Цель работы: исследование характера движения тела в вязкой жидкости.

Оборудование: длинный цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью и с двумя кольцевыми метками, набор шариков, микрометр, секундомер, линейка, термометр.

Введение

Силы, действующие на движущееся в жидкости тело, в значительной степени зависят от свойств жидкости. При безотрывном плавном обтекании тела идеальной жидкостью сила лобового сопротивления равна нулю ("парадокс" Даламбера). Обтекание тела вязкой жидкостью приводит к возникновению пограничного слоя, в котором влияние сил вязкости заметно, отрыву потока за телом и колебаниям потока из–за вихреобразования. В общем случае сила лобового сопротивления такого обтекания обусловлена: 1) касательными силами вязкости к поверхности тела; 2) перепадом давлений из–за отрыва потока; 3) колебаниями давления вследствие вихреобразования за телом. Какая из составляющих дает наибольший вклад в величину силы лобового сопротивления, в первую очередь, определяется значением критерия подобия числом Рейнольдса , где  – плотность жидкости;  – характерная скорость потока;  – характерный размер;  – коэффициент вязкости жидкости. При малых скоростях потока жидкости, а следовательно, при малых числах Рейнольдса, главную роль играют силы вязкого трения. Стокс показал, что при движении тела в форме шара в вязкой жидкости вдали от стенок сосуда и поверхностей других тел сила лобового сопротивления Fc имеет вид

, (1)

где r – радиус шара. Формула Стокса (1) применима при условии Re <<1. Как видно из выражения (1), медленное движение тела в вязкой жидкости может быть использовано для определения величины коэффициента вязкости жидкости. Это осуществляется в установке, представленной на рисунке.

В широкий вертикально расположенный сосуд налита исследуемая жидкость. На сосуде сделаны по объему жидкости две горизонтальные метки, расстояние между которыми l. Метки достаточно далеко отстоят от дна и верхней кромки жидкости. В сосуд опускают металлический шарик массой m и плотностью ρМ с начальной скоростью, равной нулю. Как видно из рисунка, на шарик действуют три силы: сила тяжести, сила лобового сопротивления вязкой жидкости F1 и выталкивающая сила Архимеда F. На начальном участке движение шарика ускоренное. Но так как с увеличением скорости растет сила лобового сопротивления, вскоре сумма всех сил, действующих на шарик, будет равна нулю, и шарик будет падать с постоянной скоростью. Метками и выделяется участок длины l, на котором шарик движется равномерно. Проекция суммы всех сил на вертикальную ось дает выражение 

,

где ,,

uo – скорость равномерного перемещения шарика;  – плотность жидкости.

Таким образом,

.

Отсюда получается выражение для коэффициента вязкости жидкости

Если учесть, что , где – время равномерного перемещения шарика между метками, то окончательное выражение для вязкости

Условие применимости формулы (2) – Re<<1 (см. выше). Это накладывает ограничения на размеры падающего шарика

 (3)

если пренебречь архимедовой силой.

Порядок выполнения работы

1. Выбрать из наборов шаров известной плотности один и измерить его диаметр несколько раз (плотность стали – 7,8·103 кг/м3, плотность свинца – 11,3·103 кг/м3).

2. Установить метки на стеклянном сосуде достаточно далеко от края жидкости и дна. Измерить расстояние между метками.

3. Опустить шарик в жидкость известной плотности. При пролете шарика мимо верхней метки включить секундомер. При пролете шарика мимо нижней метки выключить секундомер. По разности показаний секундомера вычислить время τ. (Плотность касторового масла – 9,7·102кг/м3, плотность глицерина – 1,26·103 кг/м3).

4. Выполнить пп. 1 – 3 несколько раз.

5. Рассчитать по полученным данным среднее значение вязкости жидкости и числа Рейнольдса, вычислить погрешность измерений.

6. Сопоставить полученные результаты и неравенство (3), проверить справедливость применения формулы (2).

Дополнительное задание

Исследовать зависимость скорости движения шарика в жидкости от его диаметра. Предположив степенную зависимость , определить показатель степени n.

Контрольные вопросы

1. Вывести неравенство (3) из условия, что Re<<1 и архимедова сила пренебрежимо мала.

2. Какие силы действуют на шарик, падающий в жидкость?

3. Чем обусловлено возникновение силы лобового сопротивления в вязкой жидкости: а) при малых скоростях движения шарика; б) высоких скоростях движения шарика?

4. Почему падение шарика в жидкость сначала ускоренное, затем становится равномерным?

5. Почему верхняя метка должна быть ниже уровня жидкости, а нижняя выше дна?

Список рекомендуемой литературы

1. Стрелков С.П. Механика. – М.: Наука, 1965. § 112. – 528 с.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. – Т. 1. Механика. – М.: Наука, 1979. §§ 100, 101. – 519 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. – Т. 1, – М.: Наука, 1977. § 78. – 352 с.

Тепловое излучение

Теоретическое введение к лабораторным работам 3.01 и 3.02

Характеристики теплового излучения

Под тепловым излучением понимают электромагнитное излучение, испускаемое телом и возникающее за счет его внутренней энергии. Оно зависит только от температуры и оптических свойств излучающего тела. Если расход энергии тела на тепловое излучение не восполняется за счет подвода к нему теплоты, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается.

Тепловое излучение - единственное, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Равновесность теплового излучения позволяет применять к нему общие законы термодинамики.

Основными характеристиками теплового излучения являются испускательная и поглощательная способности.

Испускательная способность rλТ системы равна энергии электромагнитных волн, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от ν до v+dv (или длин волн от λ до λ+άλ), т.е.

 (1.1)

Зная испускательную способность тела, можно вычислить его энергетическую светимость Rэ, численно равную энергии электромагнитных волн всевозможных частот, излучаемых за единицу времени с единицы поверхности тела



Поглощательной способностью тела служит безразмерная величина αλT, показывающая, какая доля энергии электромагнитных волн с частотами от ν до v+dv, падающих на поверхность тела, поглощается им:

 (1.3)

Значения rλТ и αλT зависят от длины волны (частоты), температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты