Размерность коэффициента вязкости следует из формулы (1) и в системе СИ равна [h]=H×С×M-2. Коэффициент вязкости зависит от свойств среды и температуры, однако характер зависимости от температуры различен для жидкости и газа, что указывает на различие природы трения в этих средах. В газе трение обусловлено переносом импульса при переходе молекул из одного слоя в другой, вследствие хаотического движения. Так как интенсивность хаотического движения растет с ростом температуры, то возрастает и вязкость газов.
В жидкости причиной трения являются силы взаимодействия между молекулами движущихся слоев. С ростом температуры взаимодействие между молекулами ослабевает и соответственно, вязкость и коэффициент вязкости уменьшается.
В данной работе для определения коэффициента вязкости используется закон Стокса, согласно которому на тело, движущееся в жидкости, действует сила сопротивления, пропорциональная коэффициенту вязкости жидкости, скорости и линейному размеру тела.
В частности, для тел шарообразной формы закон Стокса имеет вид:
F= - 6 πηrV, (2)
где r - радиус шара. Знак (-), как и в формуле Ньютона, говорит о том, что сила направлена в сторону противоположную движению (вектору скорости в формуле 2). Наличие коэффициента вязкости в законе Стокса связано с тем, что в процессе движения тело обволакивается тонким слоем жидкости, которая движется вместе с телом, тогда как остальная жидкость в целом неподвижна. Взаимодействие движущегося с телом слоя с соседними слоями неподвижной жидкости и создает силу трения, тормозящую движение. Закон Стокса справедлив лишь для малых скоростей, когда движение слоев считается ламинарным (т.е. движущиеся слои не перемещаются).
При падении шарика в вязкой жидкости (рис.1) на него действует три силы: F- сила сопротивления жидкости- сила Стокса, mg- сила тяжести, FА- выталкивающая сила- сила Архимеда. Так как силы mg и FА постоянны, а F возрастает с увеличением скорости движения шарика, то с некоторого момента времени любое ускоренное движение становится равномерным. Ибо любое увеличение скорости движения сразу компенсируется ее уменьшением за счет силы сопротивления, определяемой законом Стокса.
 |
|||
|
|||
Рис.1
Для установившегося равномерного движения по второму закону Ньютона можем записать
 |
|
|
mg
+FА +FС=0
mg=FА+FС
(3)
Учитывая, что сила тяжести и сила Архимеда для шарообразной формы соответственно равны,
mg =VШ p1g=(4/3)p r3 p1g, FA=Vшp2g=(4/3) p r3p2g,
формулу (3) можно записать в виде
(4/3)p r3 p1g=(4/3) r3p2g+6phrV.
Отсюда для коэффициента вязкости получим
(4)
где p1 - плотность материала шарика, p2 - плотность жидкости. Заменяя в формуле (4) через измеряемые величины r = D/2 , V=S/t, D - диаметр шарика, S- расстояние между метками АВ, t - время падения, окончательно получим рабочую формулу для определения коэффициента вязкости
(5)
Описание установки
Установка представляет собой вертикальный стеклянный цилиндр с налитой в него исследуемой жидкостью (рис.1). На цилиндре нанесены метки А, В. Положение метки А выбрано таким образом, чтобы к моменту подхода шарика к верхней метке его движение было уже равномерным.
Порядок выполнения работы
1. Измерить расстояние между двумя метками АВ миллиметровой линейкой.
2. Измерить микрометром диаметр шариков.
3. С помощью таймер - секундомера определить время движения шарика между метками. Опыт повторить не менее 5 раз.
4. Для каждого измерения вычислить по формуле (5) значение коэффициента вязкости.
5. Произвести расчет среднего значения коэффициента вязкости и погрешностей.
6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу измерений:
|
Измерения |
Si, м |
Di, м |
ti, с |
hi |
|
1 2 3 4 5 |
7. Записать ответ в виде h=
Контрольные вопросы I.
1. Что такое вязкость?
2. Напишите и объясните смысл эмпирического закона Ньютона
3. Дайте определение коэффициента вязкости, объясните, от чего он зависит и в чем измеряется.
4. Объясните сущность метода определения коэффициента вязкости в данной работе.
Контрольные вопросы II.
1. В чем причина вязкости жидкости и газа с молекулярной точки зрения?
2. Объясните на основе МКТ механизм температурной зависимости и коэффициента вязкости жидкости и газа.
3. Сформулируйте закон Стокса.
4. Дайте вывод рабочей формулы.
5.
Литература
1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, Т.1, 1967 г.
2. Грабовский Р.И. Курс физики, 1980 г.
3. Савельев И.В. Т.1 1971 г.
Содержание
Стр.
Лабораторная работа №1 «Определение плотности вещества
твердого тела» 3
Лабораторная работа №3 «Определение момента инерции тела
методом трифилярного подвеса» 8
Лабораторная работа №5 «Определение ускорения свободного
падения с помощью математического маятника» 15
Лабораторная работа № 12 «Определение коэффициента вязкости
жидкости с помощью закона Стокса» 22
[P1]
[P2]
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.