Практикум составлен в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и должен помочь более глубокому освоению материала. Он содержит 14 независимых лабораторных

2. Через отверстие в крышке прибора опустить шарик в жидкость.

3. Измерить секундомером время t прохождения шариком участка пути, на котором скорость падения шарика постоянна.

4. Повторить пп.1-3 с другими шариками.

5. Определить температуру жидкости T, при которой производились измерения (она равна температуре окружающей среды).

6. Результаты измерений оформить в виде таблицы:

7. Подставив измеренные и известные величины в формулу (5), вычислить коэффициент вязкости _i для каждого шарика и среднюю квадратическую погрешность измерений

где n – число измерений с данной жидкостью, n = 10.

При малом числе измерений следует вывести формулу средней арифметической погрешности  и вычислить ее.

Контрольные вопросы
1. Каков физический смысл коэффициента вязкости и его размерность?

2. В чем сущность закона Стокса?

3. Какие силы действуют на шарик при его движении в жидкости? Как эти силы зависят от времени?

4. Как изменяются скорость и ускорение движения шарика в зависимости от времени?

5. Чем обусловлено введение поправки 2,1 r/R в уравнение (6)?

6. Какие факторы влияют на скорость шарика?

где  – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент  является одной из основных величин, характеризующих свойства жидкости. Если = 1, то, как следует из формулы (1),  = А, т.е. коэффициент поверхностного натяжения определяется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на единицу. Коэффициент поверхностного натяжения в СИ имеет размерность джоуль на квадратный метр (Дж/м²).

С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкости уменьшается, и при критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и ее паром,  = 0.

Можно показать, что если сила взаимодействия между молекулами жидкости меньше силы взаимодействия этих молекул с молекулами вещества, из которого изготовлен сосуд, то поверхность жидкости будет вогнутой (смачивание); при обратном соотношении поверхность будет выпуклой (несмачивание). В результате искривления поверхности появляется добавочное давление р. Согласно формуле Лапласа

, (2)

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений поверхности жидкости.

Искривление поверхности особенно заметно в очень узких трубках – капиллярах. Для цилиндрических капилляров формула (2) принимает вид

,

где R – радиус сферической поверхности, при полном смачивании или несмачивании практически равный радиусу капилляра.

Если стеклянный капилляр опустить в широкий сосуд с водой, то вследствие смачивания поверхность воды в капилляре станет вогнутой, возникнет добавочное давление p, которое в данном случае будет отрицательным по сравнению с атмосферным, т.е. будет направлено вверх. Поэтому результирующее давление в капилляре станет меньше, чем в широком сосуде и жидкость в капилляре начнет подниматься выше уровня ее в широком сосуде. По мере подъема жидкости будет возникать гидростатическое давление р_г, создаваемое этим столбиком жидкости и направленное вниз: p_г = gh.

Жидкость в капилляре будет подниматься до тех пор, пока гидростатическое давление столбика жидкости высотой h не уравновесит добавочное давление, вызванное кривизной поверхности: p_г = р. Соответственно Поэтому, зная h, можно определить .

Добавочное давление воздуха измеряется по разности уровней h жидкости в коленах манометра: p₁ = gh, где  – плотность жидкости в манометре; g – ускорение свободного падения. Следовательно, 2/R = gh, откуда

Величину подъема h жидкости в капилляре можно было бы измерить непосредственно, но это неудобно. В работе для определения h используется простая установка с манометром (см. рисунок). Капилляр, опущенный в стакан K с водой, трубкой В сообщается с более широкой трубкой D и манометром С. Трубка D опущена в сосуд с водой, установленный на столике, который можно закрепить в любом положении винтом Е. Поднимая столик, мы сжимаем воздух в трубках В и D, и в капилляре над поверхностью воды создается добавочное давление p₁, измеряемое U-образным манометром (М).

Чтобы измерить диаметр капилляра, его укрепляют на штативе и помещают перед объективом микроскопа так, чтобы в поле зрения был торец капилляра. Изображение канала капилляра должно накладываться на изображение шкалы окуляра. Диаметр капилляра измеряют в делениях шкалы (цена деления указана).

Порядок выполнения работы
1. Измерить диаметр капилляра микроскопом.

2. Вставить капилляр с пробкой в трубку В установки и погрузить нижний конец капилляра на 1-2 мм в воду (вода в капилляре установится выше уровня воды в стакане).

3. Поднимая столик E, опускать уровень воды в капилляре до тех пор, пока не появится и не оторвется первый пузырек воздуха.

4. Измерить разность h₁ уровней жидкости в манометре.

5. Повторить опыт 3 раза.

6. Вычислить добавочное давление воздуха в капилляре h = h₁ – h', где h' – превышение уровня воды в стакане над нижним концом капилляра, h' = 1-2 мм.

7. Повторить пп.1-4 с капиллярами других диаметров.

8. Результаты опыта оформить в виде таблицы:

9. Вычислить для каждого капилляра коэффициент поверхностного натяжения  по формуле (5), а затем среднее значение .

10. Вычислить среднюю арифметическую погрешность .

11. Результаты измерений представить в виде .

2. Какова физическая природа сил поверхностного натяжения? Как они направлены?

3. Что такое коэффициент поверхностного натяжения? От чего он зависит и в каких единицах измеряется?

4. Что такое добавочное (лапласово) давление? От чего оно возникает? Как его рассчитывают?

5. Почему при смачивании жидкость в капиллярах поднимается, а при несмачивании опускается? От чего зависит высота подъема жидкости в капиллярах?

рекомендательный библиографический список
1. Детлаф А.А. Курс физики / А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. М.: Высшая школа, 2000.

2. Савельев И.В. Курс физики. М.: Высшая школа, 1998. Т. 1- 3.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Наука, 2003.

4. Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. М.: Наука, 1998.

Погрешности прямых измерений          4

Погрешности косвенных измерений          6

Правила представления результатов измерений          9

Правила построения графиков          9

Динамика поступательного движения        11

Работа 1. Оценка точности прямых и косвенных измерений        11

Работа 2. Эквивалентность гравитационной и инертной масс        17

Работа 3. Изучение законов механики с помощью прибора Атвуда        22

Динамика вращательного движения        28

Работа 4. Определение моментов инерции параллелепипеда методом крутильных колебаний        31

Работа 5. Определение момента инерции с помощью маятника Обербека        35

Работа 6. Определение момента инерции твердых тел с помощью маятника Максвелла        39

Работа 7. Измерение скорости полета пули с помощью баллистического маятника        43

Работа 8. Определение ускорения свободного падения при помощи универсального маятника        48

Работа 9. Изучение прецессии гироскопа        55

Молекулярная физика        60

Работа 10. Определение отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме методом адиабатического расширения        60

Работа 11. Определение отношения теплоемкости воздуха при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме методом стоячей волны        66

Работа 12. Определение коэффициента вязкости, длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул газа        71

Работа 13. Определение коэффициента вязкости жидкости        77

Работа 14. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости        81