Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Учебная работа по физике "Вязкость жидкости"

Учебная работа по физике "Вязкость жидкости"


  • Физика

Поделитесь материалом с коллегами:



Конкурс

«Пермский университет – школьникам: физико-математические науки»



16 лет

с. Березовка

МБОУ «Березовская СОШ№2»,

9класс

ФИО участника:

Радостев Тимофей Николаевич

Почтовый адрес:

617570 Пермский край,с.Березовка,ул.Труда,4а кв.18

Название работы:

Горизонты науки

Телефон:

89194654115

e-mail:

radostevilia@gmail.com

Научный руководитель:

Дёмина Галина Ивановна

Телефон:

89082630535

e-mail:

gidemina23@yandex.ru





























«Горизонты науки»





МБОУ «Берёзовская средняя

общеобразовательная школа №2»,

ученик 9 «в» класса.

Руководитель: Дёмина Г.И.

учитель физики высшей кв. кат.

МОУ «Берёзовская средняя

общеобразовательная школа №2».











с. Березовка 2015г.

Оглавление

Введение...................................................................................................................3

Глава 1. Гидродинамика. Уравнение Бернулли .. ……………...……….……...6

Глава 2. Ламинарное и турбулентное течение жидкости ......………….…..10

Глава 3. Коэффициент вязкости. Закон Ньютона ……. ……………………...12

Глава 4. Вязкость крови …………………………….………………….....….…14

Глава 5. Неньютоновская жидкость………………………………………….…16

Глава 6. Метод Стокса для определения коэффициента вязкости…………………………………………………………………………..17

Глава 7.Практическая часть……………………...……………………....…...…20

  1. Определение давления жидкости внутри трубки переменного сечения (экспериментальное подтверждение уравнения Бернулли).

  2. Определение коэффициента вязкости глицерина методом Стокса.

Заключение……………………………………………………………………….25

Список литературы……………………………………………………………....27









Введение

Многим известно имя английского ученого – И.Ньютона. Прежде всего, говорят о Ньютоне как о создателе классической механики. Этот человек открыл закон всемирного тяготения, открыл законы разложения белого света и выдвинул корпускулярную теорию света, открыл закон охлаждения нагретого тела, сконструировал один из первых термометров, впервые построил отражательный телескоп.

Именно Ньютон разработал могучий метод математического исследования природы, что оказало огромное влияние на все последующее развитие физики как науки.

При подготовке сообщения о Ньютоне только в одной книге я встретил информацию о том, что он открыл закон сопротивления движению в вязкой жидкости. Меня заинтересовал этот вопрос, и в своей работе я решил изучить закономерности движения жидкости, закон сопротивления движению в вязкой жидкости, подробнее познакомиться со свойством жидкости – ее вязкостью.

Цель работы: изучение закономерностей движения жидкости.

Задачи:

  1. Найти в различных источниках информации законы движения жидкости, сведения о свойствах жидкостей, в частности ее вязкости;

  2. Изучить особенности ньютоновской и неньютоновской жидкостей;

  3. Исследовать явления, происходящие с неньютоновской жидкостью;

  4. Определить экспериментальным способом вязкость жидкости;

  5. Показать практическое проявление движущихся потоков жидкости;


В книге Ф.М. Дягилева «Из истории физики и жизни ее творцов» рассказывается о жизни и творчестве выдающихся физиков. В ней отмечено, что выдающимся трудом И. Ньютона являются «Математические начала натуральной философии». Во второй части «Начал» (иногда так называют) Ньютон рассмотрел силы сопротивления среды при движении в ней тел, гидро- и аэродинамику, простейшие случаи вихревых движений. Эта информация побудила меня изучить движение жидкостей и закономерности, происходящие в ней.

В учебнике И.К. Кикоина «Физика, учебник для 9 класса» раскрывается суть закона Бернулли. В учебнике Г.Я. Мякишева «Физика. Механика.10кл. учебник для углубленного изучения физики» рассмотрены основы гидродинамики: виды движений в жидкости, течение вязкой жидкости, существование силы сопротивления при движении тел в жидкостях. В справочнике школьника Т.И. Трофимовой :Физика от А до Я кратко, но доступно дается материал по вязкости жидкости: определение вязкости жидкости, формула силы внутреннего трения, зависимость вязкости от температуры.

В книге Майорова А.Н. «Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке» приведены примеры проявления уравнения Бернулли.

В пособии Г.Е.Кирко «Лабораторные работы» описан метод Стокса для определения коэффициента вязкости.

На сайтах http://www.youtube.com/watch?v=f2XQ97XHjVwhttp://studopedia.ru содержится информация о удивительной жидкости - неньютоновской жидкости.

С движущимися потоками жидкости мы часто встречаемся в технике, быту и в природе. По трубам водопровода течет вода в домах, в машинах подается масло для смазки, по трубам нефтепроводов течет нефть. Кровообращение у человека и животных – это движение крови по трубам – кровеносным сосудам. Даже движение воды в реках можно считать движением жидкости по трубам, если считать русло реки «трубой».

Раздел физики, изучающий движения жидкостей, взаимодействие движущихся жидкостей с твердыми телами называется гидродинамикой.

В общем случае движения жидкости нужно учитывать наличие сил внутреннего трения или вязкости. Вязкость – одно из важнейших явлений, наблюдающихся при движении реальной жидкости. Явления, связанные с вязкостью усложняют исследование движения жидкости. Поэтому полезно вначале отвлечься от усложнений, вносимых ею в картину движения жидкостей и изучить закономерности для идеальной жидкости. Идеальная жидкость - жидкость, вязкостью которой можно пренебречь.

Основным законом гидродинамики является закон (уравнение) Бернулли.






















Гидродинамика. Уравнение Бернулли.

Закон (уравнение) Бернулли является следствием закона сохранения энергии для потока идеальной (то есть без внутреннего трения) жидкости:


hello_html_m7278f8da.png


ρ — плотность жидкости,

v — скорость потока

h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

g — ускорение свободного падения.

Описать движение жидкости трудновато. Хотя гидродинамика основана на трех хорошо знакомых в механике законах сохранения массы, импульса и энергии, их формулировка в данной теме немного сложнее. Например, определение закона сохранения массы обычно выглядит так: масса системы тел остается неизменной. Для жидкости, текущей в трубе, этот закон используется в форме (называемой уравнением неразрывности ):

υS=const

Здесь – υ скорость жидкости, S – площадь сечения трубы, по которой течет жидкость. Сформулировать этот закон можно так: сколько вливается жидкости в трубу, столько должно и выливаться, если условия течения не изменяются. Согласно уравнению неразрывности, скорость жидкости в узких местах трубки больше, чем в широких.

Каково распределение давления в движущейся жидкости? Можно определить его экспериментально. Возьмем трубку переменного сечения с небольшими отверстиями в стенке, в которые вставлены стеклянные открытые сверху измерительные трубки. При стационарном течении (движение жидкости называется стационарным, если во всех точках пространства скорости элементов жидкости не меняются со временем) жидкость в каждой измерительной трубке поднимется до определенной высоты. По высоте столба жидкости в измерительных трубках можно судить о её давлении на стенки горизонтальной трубки. Опыт показывает, что в широких местах трубки, давление больше, чем в узких. Но чем больше сечение трубки, тем меньше скорость течения жидкости. Следовательно, можно сделать вывод:

при стационарном течении жидкости давление больше в тех местах, где меньше скорость течения, и, наоборот, меньше в тех местах, где скорость течения больше.

Зависимость давления идеальной жидкости от скорости ее стационарного течения и перепада высоты была установлена в математической форме Даниилом Бернулли в 1783 году. Уравнение Бернулли выражает закон сохранения энергии и условие неразрывности течения идеальной жидкости.

Уравнение Бернулли просто объясняет множество явлений, происходящих в жидкости.

1) Осенью 1912г. океанский пароход «Олимпик» плыл в открытом море, а почти параллельно ему, на расстоянии 100 метров, проходил с большой скоростью другой корабль, гораздо меньший, броненосный крейсер «Гаук». Вдруг произошло нечто неожиданное: меньшее судно стремительно свернуло с пути, словно повинуясь неведомой силе, повернулось носом к большому кораблю и , и не слушаясь руля, двинулось прямо на него. «Гаук» врезался носом в бок «Олимпика». Удар был так силен, что. «Гаук» проделал в борту «Олимпика» большую пробоину. Случай столкновения двух кораблей рассматривался в морском суде. Капитана «Олимпика» обвинили в том, что он не дал команду пропустить броненосец. Не сразу поняли, как можно объяснить происшедшее.

Теперь капитаны морских и речных судов прекрасно знакомы с коварным проявлением уравнения Бернулли. Если два корабля идут параллельным курсом слишком близко один к другому, возникает гидродинамическая сила, толкающая их друг к другу, в результате чего может произойти кораблекрушение. Формула Бернулли позволяет понять, почему возникает эта сила: относительная скорость воды между судами будет больше, чем снаружи, давление воды на корабли в пространстве между ними окажется ниже, чем извне. Перепад давлений по разные стороны кораблей создает силу, толкающую их друг к другу.

2) Закон Бернулли позволяет измерять скорость движения жидкости с помощью манометра – прибора для измерения давления.

3)С помощью уравнения Бернулли можно найти скорость истечения идеальной жидкости из отверстия, расположенного в сосуде на глубине h относительно поверхности жидкости. Если сосуд широкий, а отверстие мало, то скорости жидкости в сосуде малы. Ко всему потоку жидкости в целом можно применить уравнение Бернулли. В верхнем сечении у поверхности жидкости давление p 0 равно атмосферному, а скорость υ0 »0. В нижнем сечении «трубки» - в отверстии давление также равно атмосферному.

4)Ярким примером, где применяется уравнение Бернулли в настоящее время, является «брандспойт». Он устроен так, что его края разного диаметра. Большим диаметром брандспойт цепляется к шлангу по которому подается вода . Она проходит через брандспойт и выходит через отверстие с меньшим диаметром. Получается, проходит через трубку с переменным сечением, где и работает закон Бернулли. За счет этого удалось добиться того, что вода выходит из него с большей скоростью и струя бьет на большие расстояния. Что значительно помогает при тушении пожаров.

По видам движение делится на ламинарное и турбулентное.

Наиболее простым является ламинарное (без завихрений) движение жидкостей. Турбулентное движение наиболее часто встречается, но в реальных жидкостях очень сложно. До сих пор нет полной теории его, хотя проблемы турбулентности изучаются уже более ста лет.



























Ламинарное и турбулентное течение жидкости.

Ламинарное (слоистое) – движение жидкости, при котором отдельные слои ее скользят друг относительно друга, не перемешиваясь. Турбулентное (вихревое) – движение жидкости, сопровождающееся перемешиванием ее различных слоев с образованием завихрений. Другими словами: если жидкость находится между двумя металлическими пластинами, то течение жидкости называется ламинарным, когда слой жидкости, контактирующий с подвижной металлической пластиной, имеет ту же скорость, что и эта пластина. Слой жидкости, расположенный ниже, перемещается немного медленнее, и скорость каждого последующего слоя немного меньше, чем предыдущего. При этом каждый слой жидкости скользит по-другому, и разные слои не перемешиваются.

В ламинарном потоке каждая частица жидкости следует по пути своей предыдущей частицы. Скорость течения в любой точке жидкости остается постоянной. Линии тока не пересекаются между собой. Энергия, сообщаемая жидкости для поддержания ее течения, используется, главным образом, на преодоление вязких сил между слоями жидкости.

Другой тип течения называется турбулентным. Турбулентное течение неустойчиво. Послойный характер течения жидкости нарушается. В потоке образуются местные завихрения, частицы перемещаются не только параллельно, но и перпендикулярно оси трубки, непрерывно перемешиваясь. Линии тока становятся искривленными. Скорость частиц, пересекающих конкретную точку жидкости, не является постоянной по направлению и величине: она изменяется со временем. Описание турбулентного потока должно быть статистическим: с точки зрения средних величин. Для турбулентного течения необходима большая энергия, чем для ламинарного, поскольку при турбулентном течении существенно возрастает внутреннее трение между частицами жидкости.

Характер течения будет определяться целым рядом факторов: вязкость жидкости, сечение трубы, скорость течения и плотность жидкости.

На любой малый объем жидкости в потоке действует ускоряющая сила F1 и сила вязкого трения F2 . Английский физик Рейнольдс исследовал условия, при которых течение является ламинарным или турбулентным. Переход из ламинарного течения в турбулентное зависит от значения безразмерной величины, называемой числом Рейнольдса. Число Рейнольдса для жидкости, текущей в цилиндрической трубке определяется уравнением: Re = vDρ/η,

где v - средняя скорость потока, D - диаметр трубки, η - вязкость, и ρ - плотность жидкости.

Критическая величина числа Рейнольдса для цилиндрических трубок, при котором ламинарное течение становится турбулентным - 2000 - 2400.

Критическая скорость - скорость жидкости, при превышении которой ламинарное течение переходит в турбулентное. Течение крови в сосудах является ламинарным (за исключением аорты). В аорте наблюдается турбулентное течение крови во время физической работы, которая приводит к существенному увеличению скорости течения крои. Поток крови также может стать турбулентным в артериях при уменьшении площади их поперечного сечения вследствие патологических процессов. Причиной этого феномена является повышение скорости течения крови.

Течение крови в сосудах носит в норме ламинарный характер, небольшая турбулентность наблюдается вблизи клапанов сердца. Турбулентность в крови можно обнаружить по характерным шумам и использовать в диагностике заболеваний.

Если при движении существенным является трение, то вся теория гидродинамики усложняется. При движении жидкости нужно учитывать наличие сил внутреннего трения или вязкости. Вязкость – одно из важнейших явлений, наблюдающихся при движении реальной жидкости. Явления, связанные с вязкостью усложняют исследование движения жидкости.

Коэффициент вязкости. Закон Ньютона.

Вязкость – это одно из явлений переноса, свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Всем реальным жидкостям в той или иной степени присуща вязкость, или внутреннее трение. При течении реальной жидкости между ее слоями возникают силы трения. Эти силы получили название сил внутреннего трения или вязкости. Вязкость – это трение между перемещаемыми относительно друг друга слоями жидкости. Силы вязкости (внутреннего трения) направлены по касательной к соприкасающимся слоям жидкости и противодействуют перемещению этих слоев относительно друг друга. Они тормозят слой с большей скоростью и ускоряют медленный слой. Можно указать две основные причины, обусловливающие вязкость:

во-первых, силы взаимодействия между молекулами соприкасающихся слоев, движущихся с различными скоростями;

во-вторых, переход молекул из слоя в слой и связанный с этим перенос импульса.

Вследствие этих причин слои взаимодействуют друг с другом, медленный слой ускоряется, быстрый замедляется. В жидкостях ярче выражена первая причина, в газах – вторая.

Ньютон установил, что сила трения между двумя слоями жидкости прямо пропорциональна площади соприкосновения слоев и величинеhello_html_me33f385.png:

hello_html_m60ef160d.pnghello_html_me33f385.png

hello_html_m1184170b.png- величина, показывающая, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою.

Эhello_html_41c8dfc2.pngта формула (1)называется формулой Ньютона для вязкого трения. Коэффициент пропорциональности hello_html_330cc805.png получил название коэффициента вязкости (внутреннего трения).


Жидкости, для которых выполняется формула Ньютона (1), называют ньютоновскими. Для таких жидкостей коэффициент вязкости зависит только от температуры. К ньютоновским жидкостям можно отнести плазму крови.

Для многих реальных жидкостей соотношение (1) строго не выполняется. Такие жидкости называют неньютоновскими. Для них коэффициент вязкости зависит от температуры, давления и ряда других величин. К таким жидкостям относятся жидкости с крупными сложными молекулами, например, цельная кровь, водный раствор крахмала.

В системе СИ единицей измерения коэффициента вязкости является

hello_html_7546b5fc.png(паскаль – секунда),

в СГС – системе коэффициент вязкости измеряется в hello_html_m782ae17f.png(пуазах), причем

hello_html_3c989896.png.

Как отмечено выше, жидкости различают: ньютоновские, неньютоновские. Из биологических к ньютоновским жидкостям относится кроме плазмы крови лимфа.

Закон Ньютона для жидкости применяется в медицине – в лабораториях определяют вязкость крови для выяснения на содержание эритроцитов, общего содержания белка и соотношения его фракций в плазме, а также содержания в крови углекислоты. Повышение вязкости отмечается при сгущении крови и некоторых видах лейкозов (эритремии, миелофиброзах), понижение — при анемиях.

Вязкость крови

Кровь является взвесью клеток крови в жидкости сложного состава, называемой плазмой. Различают красные клетки крови (эритроциты), белые клетки крови (лейкоциты) и тромбоциты. Плазма - водный раствор электролитов, белков, питательных веществ, продуктов метаболизма и т.п. Объем крови в организме составляет почти 7% объема человеческого тела. Эритроциты занимают около 45 % объема крови, а другие клетки крови - менее чем 1%. Относительный объем клеток крови и плазмы определяют с помощью прибора гематокрита. Это же название используют для определения результатов анализа.

Кровь является более плотной и вязкой, чем вода. В среднем относительная вязкость крови составляет почти 4,5 (3,5-5,4). Относительная вязкость плазмы - 2,2 (1,9 - 2,6). Вязкость крови измеряется в лаборатории с помощью специального прибора - медицинского вискозиметра. Кровь является неньютоновской жидкостью. Но при такой скорости течения, которая поддерживается в сосудах кровеносной системы, вязкие свойства крови можно рассматривать, как для ньютоновских жидкостей. А плазма крови – ньютоновская жидкость.

Вязкость крови зависит, главным образом, от концентрации эритроцитов и меньше - от концентрации белков плазмы. Она зависит также от скорости течения крови. Если скорость течения крови уменьшается, эритроциты собираются в специфические скопления, так называемые монетные столбики. Это приводит к повышению вязкости крови. Такой феномен может наблюдаться в мелких кровеносных сосудах, где скорость течения крови небольшая.

Однако существует физиологический механизм, который способствует уменьшению вязкости крови в небольших сосудах, называемый эффектом Фареуса-Линдквиста. Этот эффект объясняется ориентацией эритроцитов вдоль оси сосуда. Эритроциты, формируя цилиндрический осевой ток, скользят по слою окружающей их плазмы крови.

Вязкость крови здорового человека hello_html_17ab0f84.png, при патологии колеблется от hello_html_m7d3d1c4d.png, что сказывается на скорости оседания эритроцитов. Вязкость венозной крови больше, чем артериальной.

Кроме практического применения вязкости в жидкости меня удивило поведение неньютоновской жидкости.






















Неньютоновская жидкость

Можно ли ходить по воде? С точки зрения физики невозможно, но это только в том случае, если речь не идет о неньютоновской жидкости. Что это за жидкость и почему по ней можно ходить, я бы хотел рассказать и объяснить в своей работе.

Ньютоновская жидкость (названная так в честь Исаака Ньютона) — вязкая, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, жидкость. Неньютоновская жидкость - это особенная, чрезвычайно непонятная и удивительная субстанция. Загадочность такой жидкости заключается в том, что при сильном воздействии на нее, она сопротивляется словно твердое тело, в то же время, при медленном – приобретает жидкие свойства. В отличие от однородной ньютоновской, она имеет неоднородную структуру и состоит из крупных молекул. Ньютоновские и неньютоновские жидкости в последнее время вызывают активный интерес не только ученых, но и простых людей. Это связано с тем, что неньютоновская жидкость легко изготавливается своими руками и подходит для домашних опытов

В своей НИЛ я решил провести опыт с неньютоновской жидкостью, и для этого я:

  • смешал крахмал (250 гр.) и воду (100гр.) в глубокой тарелочке, для того чтобы увидеть удивительные свойства неньютоновской жидкости

  • Перемешал ингредиенты до образования однородной массы.

  • После этого из полученной жидкости я попытался скатать маленький шарик. Тут я заметил, что в том случае, если катать шарик очень быстро, то он будет тверже и прочнее. Если прекратить скатывать такой шарик, то он растечется по руке.

  • Если аккуратно опустить палец в неньютоновскую жидкость, то он без сопротивления войдет во внутрь нее, т.е. она ведет себя как жидкость; но если резко ударить кулаком по ее поверхности, то он встретит твердый отпор.

Это все объясняется тем, что частицы крахмала набухают в воде и между ними формируется физические контакты в виде хаотических сплетенных групп молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешние воздействия, как упругая пружина. При медленном же воздействии молекулы успевают растянуться и распутаться, сетка рвется и молекулы равномерно расходятся. Если в опыте взять более большой объем этой жидкости и пробежаться по ней человеку, то он теоретически не утонет и продолжит движение по ней, как по твердому телу.

Итак, я могу сделать такое умозаключение, что по поверхности жидкости можно не только ходить, но и даже танцевать. Главное помнить, что неньютоновская жидкость- твердая только тогда, когда есть движение. Стоит остановиться, сразу утонешь. Итак, по жидкости ходить возможно!

Наша кровь — это тоже типичная неньютоновская жидкость. Она представляет собой суспензию эритроцитов, лейкоцитов и других элементов в плазме. А это значит, что вязкость в различных участках сосудистой системы может изменяться.

Сила жидкого трения (сила сопротивления) возникает и при движении твердого тела в жидкости. Благодаря тому, что сила сопротивления растет с увеличением скорости, любое тело в вязкой среде при действии на него какой-либо постоянной силы, например силы тяжести, в конце концов, начинает двигаться равномерно. Такое движение было предложено использовать для определения коэффициента вязкости.


Метод Стокса для определения коэффициента вязкости

Английским физиком и математиком Стоксом было установлено, что сила вязкого трения Fс, действующая в жидкости на движущееся тело, при небольших скоростях прямо пропорциональна скорости, т.е.

hello_html_34a42e02.png

где r - коэффициент сопротивления, зависящий от размеров и формы тела, а также от вязкости среды, в которой оно движется.

Для твёрдого тела шарообразной формы радиуса R, движущегося в жидкости с коэффициентом вязкостиhello_html_330cc805.png, коэффициент сопротивления

r = 6.hello_html_m2d185348.png

Тогда по закону Стокса для модуля силы сопротивления, действующей на шарообразное тело, можно записать выражение

Fc=6hello_html_m30ac7e2e.png

Метод Стокса позволяет определить вязкость жидкости.

Нhello_html_m11c4595a.jpgа шар B массой m, объёмом V, падающий в жидкости с коэффициентом вязкости , действуют три силы: сила тяжести выталкивающая сила (сила Архимеда) и сила сопротивления (рис.1).

Сила тяжести рассчитывается по формуле


Fт= mg=V·hello_html_m275536f3.png

Рис.1

где hello_html_5f1f6fda.pngплотность шара, g – ускорение свободного падения.


Силу Архимеда можно рассчитать, как

hello_html_220c71ff.png

здесь mж – масса жидкости, вытесненной шаром, hello_html_45005d69.pngплотность этой жидкости. Сила сопротивления Fc вычисляется по формуле (22). Так как силаhello_html_7979a3b1.png и hello_html_m4a9fa522.pngпостоянны, а силаhello_html_m6f79a161.png возрастает с увеличением скорости движения шара, то с некоторого момента времени эти три силы могут уравновесить друг друга. Движение шара станет равномерным. В векторной форме закон движения шара запишется в виде

hello_html_45c58b0e.png, или через модули сил этот закон можно записать таким образом: Fт= Fа+ Fс.

Подставив в последнее уравнение выражения для сил и получим

hello_html_m1f85274.png

откуда после соответствующих преобразований получается выражение

hello_html_m3509265e.png

или, учитывая, что hello_html_m27cfb2d3.pngгде D- диаметр шара, последнюю формулу можно записать в виде

hello_html_m23fa2ee3.png












Практическая часть

  1. Экспериментальное подтверждение уравнения Бернулли.

Для определения давления жидкости внутри трубки переменного сечения я решил использовать медицинские шприцы различной вместимости. Чтобы узнать давление в каждом из участков конструкции я врезал вертикально вверх трубки с небольшим диаметром, в роли которых использовал тоже шприцы. Когда жидкость протекала по моей конструкции, во врезанные трубки тоже попадала вода. И уже наглядно было видно, как изменяется давление в зависимости от диаметра трубки, по которой течет жидкость. В горизонтальном шприце с самым большим сечением столбик воды в вертикальной трубке поднимался на большую высоту, что означает – давление здесь больше. В узких местах трубы высота столбика воды меньше, чем в широких, следовательно скорость движения воды больше.

2. Определение коэффициента вязкости методом Стокса.

Приборы и принадлежности: мензурка, дробинки, микрометр, секундомер, линейка, термометр, резинки (кольцевые метки).

Цель работы: определение вязкости жидкости и характера ее изменения при увеличении температуры.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Измерить расстояние l между кольцевыми метками на цилиндре с исследуемой жидкостью (верхняя метка соответствует положению шара, при котором скорость его становится постоянной).

2. Микрометром измерить диаметры D пяти шаров (дробинок), данные занести в таблицу.

3. Для каждого шара определить время падения ti и скорость падения Vi= l/t между метками. Результаты занести в таблицу.

4. Рассчитать коэффициент вязкости жидкости по движению каждого из шаров. Для этого формулу перепишем в виде

hello_html_14cedab2.png, где к -hello_html_35d171c0.pngпостоянная в условиях опыта величина

Значениеhello_html_3153ae73.png занести в таблицу, вычислить среднее арифметическое значение коэффициента вязкости :

hello_html_m796ffcbe.png

Поскольку коэффициент вязкости зависит от температуры, то эксперимент по его определению проводил при различной температуре: в учебной аудитории, на холоде и в бане.

Выполнение работы.

Определение вязкости при комнатной температуре.

  1. Определил температуру в комнате термометром. Результат t=220C;

  2. Для каждого шара определил время падения ti и скорость падения Vi между метками. Результаты записал в таблицу;

  3. Далее нашел величину k по формуле. Плотности тела и исследуемой жидкости я узнал в табличном справочнике, где плотность дроби 6300 кг/м3, а плотность глицерина 1260 кг/м3. В итоге k=2744. Затем уже рассчитал коэффициент вязкости жидкости по движению каждого из шаров также по формуле. Результаты вычислений вы также можете увидеть в таблице ниже.

Таблица результатов измерений и вычислений при t=220С

опыта

Di, м

ti, с

Vi, м/c

Ŋi, 10-3Па·с

1

0,004

3

0,28

1568

2

0,004

2,96

0,29

1513

3

0,004

2,89

0,294

1493

4

0,004

3,12

0,27

1626

5

0,004

2,92

0,291

1508

  1. Также, в конце своего опыта я рассчитал среднее арифметическое значение коэффициента вязкости при t=220С. ŋср = 1568+1513+1493+1626+1508/5= 1541 10-3Па·с

  2. Затем я сравнил результат эксперимента со значением из табличного справочника. В справочном материале я нашел, что коэффициент вязкости глицерина при 200С равен 1480 •10-3Па·с. Результат в ходе эксперимента мною был получен 1541• 10-3Па·с, но у меня температура была чуть больше, значит можно заявить, что коэффициенты очень близки по значению.

Определение вязкости на холоде.

  1. Определил температуру на улице термометром. Результат t=00C;

  2. Для каждого шара определил время падения ti и скорость падения Vi между метками. Результаты можно увидеть в таблице;

  3. Далее найдем величину k по формуле. Плотности тела и исследуемой жидкости я узнал в табличном справочнике, где плотность дроби 6300 кг/м3, а плотность глицерина 1260 кг/м3. В итоге k=2744. Затем уже рассчитал коэффициент вязкости жидкости по движению каждого из шаров также по формуле. Результаты вычислений вы также можете увидеть в таблице ниже.

Таблица результатов измерений и вычислений при t=00c

опыта

Di, м

ti, с

Vi, м/c

Ŋi, 10-3Па·с

1

0,004

23

0,0369

11901

2

0,004

22,92

0,037

11862

3

0,004

23,5

0,036

12195

4

0,004

22,81

0,0372

11802

5

0,004

23,2

0,0366

11996

  1. Также, в конце своего опыта я рассчитал среднее арифметическое значение коэффициента вязкости при t=00С. ŋср = 11901+11862+12195+11802+11996/5= 11951 10-3Па·с

  2. Затем я решил сравнить свой результат со значением из табличного справочника. В справочном материале я нашел, что коэффициент вязкости глицерина при 00С = 12100 10-3Па·с, мой же результат равен 11951 10-3Па·с. Отсюда следует, что результаты близки по значению. Поэтому опыт проделан правильно.

Определение вязкости в бане

  1. Определил температуру в бане термометром. Результат t=600C;

  2. Для каждого шара определил время падения ti и скорость падения Vi между метками. Результаты можно увидеть в таблице;

  3. Далее нашел величину k по формуле. Плотности тела и исследуемой жидкости я узнал в табличном справочнике, где плотность дроби 6300 кг/м3, а плотность глицерина 1260 кг/м3. В итоге k=2744. Затем уже рассчитал коэффициент вязкости жидкости по движению каждого из шаров также по формуле. Результаты вычислений вы также можете увидеть в таблице ниже.

Таблица результатов измерений и вычислений при t=600c

опыта

Di, м

ti, с

Vi, м/c

Ŋi, 10-3Па·с

1

0,004

1,94

0,438

100

2

0,004

2,2

0,386

113

3

0,004

2

0,425

103

4

0,004

1,87

0,45

97

5

0,004

2,13

0,39

112

  1. Также, в конце своего опыта я рассчитал среднее арифметическое значение коэффициента вязкости при t=00С. ŋср = 100+113+103+97+112/5= 105 10-3Па·с

  2. Затем я решил сравнить свой результат со значением из табличного справочника. В справочном материале я нашел, что коэффициент вязкости глицерина при 600С = 102 10-3Па·с, мой же результат равен 105 10-3Па·с. Отсюда следует, что результаты близки по значению. Поэтому опыт проделан правильно.

Коэффициент вязкости жидкости сильно зависит от температуры помещения, где проводится опыт.

Вывод: Чем больше температура жидкости , тем меньше коэффициент ее вязкости и наоборот.






















Заключение

Изучение движения жидкостей имеет важное значение для практического применения. Движение жидкости подчиняется закону (уравнению) Бернулли. Уравнение Бернулли связывает давление внутри жидкости с площадью поперечного сечения потока жидкости и скорость движения жидкости. Формула Бернулли позволяет понять, почему возникает гидродинамическая сила и позволяет измерить скорость движения жидких тел. Уравнение Бернулли позволяет понять сущность многих явлений. Например, почему есть вероятность сталкивания двух барж, кораблей, проплывающих близко друг к другу.

Течение жидкостей может быть ламинарным и турбулентным.

Если при движении существенным является трение, то вся теория гидродинамики усложняется. Поэтому при движении жидкости необходимо учитывать наличие сил внутреннего трения или вязкости. Из-за вязкости давление в жидкости уменьшается вдоль потока даже в горизонтально расположенной трубе постоянного сечения. Вязкость возникает, потому что силы взаимодействия между соприкасающимися слоями движутся с различными скоростями и переход молекул из слоя в слой связан с переносом импульса.

Сила жидкого трения (сила сопротивления) возникает и при движении твердого тела в жидкости. Благодаря тому, что сила сопротивления растет с увеличением скорости, любое тело в вязкой среде при действии на него какой-либо постоянной силы, например силы тяжести, в конце концов начинает двигаться равномерно. Это учитывается в методе Стокса для определения коэффициента вязкости жидкостей.

С помощью метода Стокса я измерил вязкость глицерина.

Вязкость жидкости зависит от ее температуры. Чем больше температура жидкости, тем меньше коэффициент ее вязкости, и наоборот.

Выполняя работу, я узнал, какие жидкости являются ньютоновскими, какие неньютоновскими.

Ньютоновские жидкости имеют широкое применение в практике и имеют немаловажное значение, неньютоновские же жидкости используются в основном ради забавы и для интересных опытов.

Знания этого раздела применяются в медицине – в лабораториях определяют вязкость крови для выяснения на содержание эритроцитов, общего содержания белка и соотношения его фракций в плазме, а также содержания в крови углекислоты. Повышение вязкости отмечается при сгущении крови и некоторых видах лейкозов (эритремии, миелофиброзах), понижение — при анемиях.

Выполняя исследовательскую работу, я понял, что выбрал именно ту тему, которая мне интересна. И выполнял ее с увлечением. Я расширил свой кругозор, и теперь могу своим сверстникам рассказать о законе сопротивления движению в вязкой жидкости Ньютона, который в школьной программе основной школы не изучается.

Я выполнил задачи, которые ставил перед собой.

Применения знаний этого раздела в различных областях современной науки и техники, биологии и медицины являются, безусловно, актуальными.












Список литературы

  • И.К. Кикоин «Физика – учебник для 9 класса»: Просвещение, 1990.

  • Г.Я. Мякишев «Физика. Механика, учебник для 10 класса» – М.: Дрофа, 2013.

  • Майоров А.Н. «Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке»: Академия, Ко, 1999.

  • Г.Е.Кирко Лабораторные работы

  • Т.И. Трофимова. Физика от А до Я. – 2-е изд.,-М.:Дрофа,2007.-299с.

  • Ф.М. Дягилев. Из истории физики и жизни ее творцов: книга для учащихся. – М.:Просвещение,1986.-255с.

Интернет - ресурсы




28



Автор
Дата добавления 23.08.2016
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров418
Номер материала ДБ-162798
Получить свидетельство о публикации

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх