Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Молекулярная физика Описания лабораторных работ

нает двигаться быстрее. Молекулы из медленного слоя, переходя в быстрый слой,

получают некоторый импульс, что приводит к торможению этого слоя.

Рассмотрим движение газа в направлении оси х (см. рис. 2). Пусть слои

движутся с разными скоростями. На оси z возьмём два слоя, находящиеся на

расстоянии dz.

Скорости слоёв отличаются на величину . Отношение

численно

равно градиенту скорости, т.е. изменению скорости слоёв, приходящемуся на

единицу длину в направлении оси Z.

Сила внутреннего трения (вяз-

кости), действующая между двумя

слоями, пропорциональна площади

их соприкосновения и градиенту

скорост

и:

η=

, (1)

где η − коэффициент внутреннего

трения (коэффициент вязкости).

Единицей вязкости в СИ слу-

жит такая вязкость, при которой гра-

диент скорости с модулем, равным

1м/с на 1м, приводит к возникнове-

нию силы внутреннего трения в 1 Н на 1 м

поверхности касания слоев. Эта

единица называется паскаль-секундой (Па

⋅с). Коэффициент вязкости зависит от

температуры: у газов он растет с повышением температуры.

Рисунок 2

Коэффициент вязкости воздуха можно рассчитать по формуле Пуазейля:

τΔπ

=η

, (2)

где r − радиус капилляра;

L − длина капилляра.

Средней длиной свободного пробега < l > молекул называется среднее рас-

стояние, которое проходит молекула без соударения, иными словами – это рас-

стояние между двумя последовательными соударениями. На длине свободного

пробега молекула движется равномерно и прямолинейно. Средняя длина сво-

бодного пробега молекул связана с коэффициентом внутреннего трения

со-

отношением:

>><<ρ=η lv

, (3)

где ρ − плотность воздуха при данной температуре;

v > − средняя арифметическая скорость молекул воздуха.

101

Описания лабораторных работ Молекулярная физика

Используя уравнение состояния идеального газа

pV =

и выраже-

ние для средней арифметической скорости

>=<

v , получаем:

атм

>=< 9,1

, (4)

где р

атм

− внешнее атмосферное давление;

R − молярная газовая постоянная;

М − молярная масса воздуха;

T − абсолютная температура воздуха.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие физические величины измеряются непосредственно (прямые измере-

ния)?

По каким формулам Вы будете рассчитывать коэффициент внутреннего тре-

ния и среднюю длину свободного пробега молекул воздуха? Поясните смысл

обозначений, входящих в формулы.

Атмосферное давление составляет 750 мм рт. ст. Выразить давление в еди-

ницах СИ − паскалях.

Выполнение работы

1. Записать значения радиуса r и длины L капилляра, указанные на установке.

Открыть кран аспиратора и установить мерный стакан так, чтобы вода сте-

кала по его стенкам (это нужно для того, чтобы уровень воды в стакане не

колебался).

Когда на манометре установится постоянная разность уровней жидкости, за-

писать показания манометра h

и h

и рассчитать величину

hhh −=

Измерить время вытекания 100 см

воды, после чего закрыть кран.

Вылить из стакана воду в аспиратор и повторить опыт согласно пп. 2-3 еще 2

раза при другой скорости истечения воды.

Определить по термометру температуру воздуха в лаборатории, а по баро-

метру – атмосферное давление.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать разность давлений Δр между концами капилляра: h

ρ=Δ , где

ρ – плотность жидкости (воды).

2. Рассчитать коэффициент вязкости воздуха η по результатам каждого опыта

по формуле (2).

102

Молекулярная физика Описания лабораторных работ

3. Найти среднее значение коэффициента вязкости воздуха.

Рассчитать абсолютную погрешность

как для прямых измерений.

Найти относительную погрешность измерения коэффициента вязкости.

Результат записать в стандартном виде:

(

)

7. Рассчитать среднюю длину свободного пробега < l > молекул по форму-

ле (4), используя среднее значение коэффициента вязкости.

Рассчитать абсолютную погрешность

как для косвенных измерений по

формуле:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ηΔ

>=<Δ

где Δр и ΔТ – приборные погрешности барометра и термометра соответственно,

равные половине цены деления приборов.

Найти относительную погрешность измерения средней длины свободного

пробега.

10.

Результат записать в стандартном виде:

(

)

lll

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Что называется средней длиной свободного пробега молекул?

Как зависит средняя длина свободного пробега молекул от температуры,

давления?

Как зависит коэффициент внутреннего трения газов от температуры?

Сравните полученное значение коэффициента внутреннего трения воздуха с

табличным при данной температуре. Сделайте вывод.

103

Описания лабораторных работ Молекулярная физика

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №20

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Радиус капилляра r = ___________

Длина капилляра L = ______________

Плотность жидкости (воды) ρ = ______________

Температура воздуха в лаборатории t = __________°С

Внешнее атмосферное давление р

атм

= ___________

Объем вытекшей воды V= ______________

Цена деления термометра С

= _______________

Цена деления барометра С

= __________________

№

п/п

мм

Δh,

мм

Δp,

Па

τ,

η,

Па⋅с

Дата________ Подпись преподавателя___________________

104

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Лабораторная работа №41

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы – исследовать электростатическое поле, созданное электри-

чески заряженными телами, используя метод электростатических моделей. Оп-

ределить значение напряжённости для однородного электрического поля.

Приборы и принадлежности: источник тока, вольтметр, гальванометр, на-

бор электродов; ванна, заполненная водой.

Общие положения

Электрическое поле − материальная среда, существующая вокруг заря-

женных тел и проявляющая себя силовым действием на заряды. Основными ха-

рактеристиками электростатического поля являются напряженность

и потен-

циал ϕ.

Напряженность электрического поля (

) − векторная физическая вели-

чина, силовая характеристика электрического поля, численно равная силе, дей-

ствующей на единичный положительный заряд q

, помещенный в данную точку

поля:

. (1)

Если величина и направление вектора напряженности поля в каждой точ-

ке одинаковы, то поле называется однородным.

Потенциал (ϕ) − скалярная физическая величина, энергетическая харак-

теристика электростатического поля, численно равная потенциальной энергии,

которой обладал бы в данной точке поля единичный положительный заряд q

=ϕ

. (2)

Между напряженностью

и потенциалом ϕ существует следующая

взаимосвязь

ϕ−= gradE

. (3)

Вектор напряженности направлен в сторону убывания потенциала. В слу-

чае однородного поля

, (4)

где Δϕ − разность потенциалов;

Δr − расстояние между поверхностями (линиями) с потенциалами ϕ

и ϕ

Графически электростатические поля изображаются с помощью силовых

линий и поверхностей равного потенциала (эквипотенциальных поверхностей).

Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Экспериментально проще измерить потенциал поля, чем его напряжённость.

При изучении распределения потенциала электростатического поля использу-

ется метод зондов (метод электростатических моделей). Сущность метода зон-

105

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

дов заключается в том, что в исследуемую точку поля вводится специальный

дополнительный электрод-зонд. Он устроен так, чтобы минимально нарушать

своим присутствием исследуемое поле.

Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В ванну,

сделанную из электроизоляционного материала, помещают металлические

электроды А и В (рис. 1).

P 1

P 2

Рисунок 1

Ванна заполняется водой, проводимость которой незначительна. В изме-

рительную часть цепи, кроме зонда З, входят гальванометр Г, вольтметр V и по-

тенциометр R.

Если ток, проходящий через гальванометр, равен нулю, то потенциал

зонда равен потенциалу движка потенциометра, и вольтметр показывает раз-

ность потенциалов между электродом A и зондом З.

В наборе имеются электроды для исследования электростатического поля

плоского и цилиндрического конденсаторов, поля точечных зарядов (рис. 2).

Рисунок 2. Схема расположения электродов для исследования

электростатического поля

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Поле каких электродов необходимо исследовать в данной работе?

106

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

3. Нарисуйте примерную картину распределения силовых линий и поверхно-

стей равного потенциала для каждого случая электродов (по теории).

Выполнение работы

1. Заполнить ванну водой.

Собрать цепь (рис. 1). Движок потенциометра установить в крайнее левое

положение.

Определить цену деления вольтметра (рекомендуемый предел измерения 3 В).

Установить в ванне плоские электроды (рис. 2). На лист бумаги перенести

копию координатной сетки, нанесённой на дно ванны в уменьшенном мас-

штабе (масштаб: 1:2). Нанести контуры электродов.

Установить разность потенциалов, соответствующую 30-40 делениям вольт-

метра. Записать соответствующее показание вольтметра U. Перемещая зонд

в ванне от А к В, найти точку, в которой гальванометр показывает «0». Эту

точку нанести на координатную сетку. Потенциал точки ϕ будет равен на-

пряжению на вольтметре. Найти ещё 5-6 точек с таким же значением потен-

циала.

Повторить измерения согласно п. 5, изменив реостатом разность потенциа-

лов. Опыты провести при трех различных значениях разности потенциалов.

Заменить плоские электроды на цилиндрические (рис. 2). Схему не разби-

рать!

Исследовать поле цилиндрического конденсатора согласно п. 4, 5 и 6.

Заменить цилиндрические электроды на точечные (рис. 2). Схему не разби-

рать!

Исследовать поле цилиндрического конденсатора согласно п. 4, 5 и 6.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. По полученным точкам провести линии равного потенциала для каждого ви-

да электродов. Начертить картину силовых линий.

Для плоских электродов рассчитать три раза напряженность E по формуле

(4). Найти среднее значение напряженности.

Абсолютную погрешность рассчитать как для прямых измерений. Записать

результат в стандартном виде:

4. Найти относительную погрешность измерений.

2. Защита работы (ответы представить в письменном виде)

Дайте определение напряжённости электростатического поля. Запишите

формулу. Укажите единицы измерения.

Дайте определение потенциала. Запишите формулу. Укажите единицы изме-

рения.

Какое поле называется однородным? Поле каких электродов в данной работе

является однородным?

Каково взаимное расположение силовых линий и эквипотенциальных по-

верхностей?

Как по распределению потенциала определить направление силовых линий?

107

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 41

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Вольтметр

Координатная сетка изображена в масштабе 1: 2

Поле плоских электродов (масштаб: 1:2)

=___________ ϕ

=____________

Дата________ Подпись преподавателя___________________

108

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Поле цилиндрических электродов (масштаб: 1:2)

=_____

Дата________ Подпись преподавателя___________________

109

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Поле точечных электродов (масштаб: 1:2)

=_____

Дата________ Подпись преподавателя___________________

110