Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

де r – радіус капіляра;

р – різниця тисків на кінцях капіляра;

  – довжина капіляра.

З цього рівняння визначимо коефіцієнт внутрішнього тертя:

Як бачимо, всі величини правої частини піддаються безпосередньому вимірюванню. Кінетична теорія газів встановлює зв’язок між коефіцієнтом внутрішнього тертя ідеального газу , середньою довжиною вільного пробігу молекул газу  і середньою арифметичною швидкістю   їх руху:

де  – густина газу.

 

 

Замінимо в цьому рівнянні  і   за допомогою відомих з кінетичної теорії газів співвідношень:  ;   і виконаємо необхідні перетворення. Одержимо формулу для визначення середньої довжини вільного пробігу молекул:

де р – тиск газу;

R – молярна газова стала;

Т – абсолютна температура;

 – молярна маса газу.

У даній роботі всі необхідні величини вимірюють на установці, конструкція якої подана на рис. 7. 2. 1.

Посудина має шкалу і кран К для витікання води. Крізь корок посудини проходить капіляр L, радіус і довжина якого задані. Капіляр не повинен досягати поверхні води.

При закритому крані тиск повітря над рідиною в посудині дорівнює атмосферному, оскільки посудина з’єднана з атмосферою через капіляр. Якщо відкрити кран К, то внаслідок витікання води тиск в посудині стане зменшуватись і всередину через капіляр стане засмоктуватись повітря. Маючи певну в’язкість, повітря буде повільно просочуватись крізь капіляр, внаслідок чого тиск в посудині стане менший атмосферного. Через певний час сума тисків газу і рідини всередині посудини на рівні отвору з краном К стане рівною атмосферному тискові, тобто:

де р1 – тиск газу в посудині;

1 – густина рідини;

g – прискорення вільного падіння;

h1 – висота стовпчика рідини у даний момент.

При цьому на кінцях капіляра встановиться різниця тисків

яка обумовлює протікання повітря через капіляр в посудину. Ця різниця з часом зменшуватиметься із зниженням висоти стовпчика рідини. Але тому, що площа перерізу посудини велика, а об’єм рідини, що витікає, порівняно малий, то зміна висоти стовпчика рідини і різниці тисків будуть незначними. Тому в формулі (2) за різницю тисків на кінцях капіляра можна взяти середнє значення гідростатичного тиску на початку і в кінці досліду, тобто:

Об’єм повітря, що протікає через капіляр V, буде дорівнювати об’єму рідини, що витікає через кран К в мензурку.

 

 

1. Перед початком досліду посудина повинна не менше ніж наполовину заповнюватись водою.

2. Відкрити кран К, щоб вода витікала в допоміжну склянку.

3. Коли через кілька секунд вода почне витікати окремими краплинами, забрати допоміжну склянку і підставити мензурку, одночасно вмикаючи секундомір і відмічаючи висоту рівня води h1.

4. Коли в мензурці збереться 50 см3 води, зупинити секундомір, закрити кран К і відмітити новий рівень води в посудині h2.

5. Виміряти кімнатну температуру Т і атмосферний тиск ратм.

6. Всі дані вимірювань, а також значення радіуса капіляра r та його довжину L занести в таблицю. 

Обробка результатів експерименту

1. За формулою (5) розрахувати значення р.

2. За формулою (2) визначити коефіцієнт внутрішнього тертя повітря .

3. За формулою (4) вирахувати середню довжину вільного пробігу молекул повітря  .

4. Знайти абсолютну та відносну похибки експерименту. Зробити висновки.

 

 

1. Середня довжина вільного пробігу молекул та число зіткнень в одиницю часу.

2. Закон Пуазейля.

3. Коефіцієнт в’язкості, його фізичний зміст, одиниці вимірювання.

 

 

Мета роботи: визначити коефіцієнт в’язкості рідини при кімнатній температурі.

Прилади і матеріали: прилад Стокса, стальні кульки, мікрометр, масштабна лінійка, секундомір, термометр.

 

 

Під час руху рідини між її шарами виникають сили внутрішнього тертя, які діють таким чином, щоб зрівняти швидкості всіх шарів. Виникнення цих сил пояснюється тим, що шари, які рухаються з різними швидкостями один відносно одного, обмінюються молекулами. Молекули з більш швидкого шару передають молекулам більш повільного шару певний імпульс, внаслідок чого вони починають рухатись швидше. Молекули з більш повільного шару одержують в швидкому шарі певний імпульс, що викликає його гальмування.

Розглянемо рідину, що рухається в напрямі осі Х (рис. 7. 3. 1). Нехай шари рідини рухаються з різними швидкостями. На осі Z візьмемо дві точки на відстані dZ одна від одної. Швидкості потоку відрізняються в цих точках на величину du. Відношення du/dZ характеризує зміну швидкості потоку в напрямі осі і носить назву градієнта швидкості.

Сила внутрішнього тертя (в'язкості), що виникає між двома шарами, прямо пропорційна площі S їх дотику і градієнта швидкості – це є закон Ньютона для внутрішнього тертя:

 

 

де  – коефіцієнт внутрішнього тертя (в'язкості).

Якщо в формулі (1) чисельно взяти S і  , то  , тобто, коефіцієнт