- •Механика и молекулярная физика Лабораторный практикум
- •Механика и молекулярная физика: лабораторный практикум / cост. С.Г.Гильмиярова, н.Ф.Косарев, ф.Ф.Тимерханов. – Уфа: Изд-во бгпу, 2010. – с.
- •Isbn Издательство бгпу, 2010
- •V. Фазовые переходы......................................................................... .....83
- •1. Место физики среди естественных наук и роль измерений в физике
- •Порядок работы в лаборатории
- •Оценки по выполнению отдельных этапов заносятся в таблицу на первой странице рабочей тетради:
- •Виды физических измерений
- •Единицы измерения физических величин
- •Элементы теории погрешностей
- •Ошибки измерения (погрешности) и причины их возникновения
- •2. Определение величины ошибки при прямых измерениях
- •Коэффициенты Стьюдента
- •Относительная ошибка
- •Пример записи результатов прямых измерений
- •Определение физической величины и ее ошибки при косвенных измерениях
- •6. Некоторые правила приближенных вычислений
- •7. Построение графиков
- •Простейшие физические измерения Нониус и микрометрический винт
- •Часть I
- •Форма отчета
- •Лабораторная работа № 2 Определение объема и плотности твердого тела
- •Определение плотности вещества
- •Форма отчета Лабораторная работа № 2
- •1. Определение плотности цилиндра
- •II. Определение плотности твердого тела неправильной формы
- •Вопросы к допуску
- •Краткая теория
- •Ход работы и обработка результатов измерения
- •Второй способ (экспериментальный)
- •Ход работы и обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 изучение незатухающих гармонических колебаний и упругих свойств пружины
- •Вопросы к допуску
- •Краткая теория
- •Упражнение I Определение основных величин, характеризующих гармонические незатухающие колебания Ход работы и обработка результатов измерения
- •Упражнение II Изучение зависимости периода колебаний от массы колеблющегося груза и определение коэффициента жесткости пружины Ход работы и обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 изучение незатухающих гармонических колебаний математического маятника
- •Вопросы к допуску
- •Ход работы и обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки. Вывод расчетных формул
- •Порядок выполнения работы
- •5. Данные установки и таблица результатов измерения
- •6. Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Часть II молекулярная физика
- •I. Молекулярно-кинетическая теория
- •Идеального газа
- •Лабораторная работа №1 определение газовой постоянной методом откачки
- •Вопросы к допуску:
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы:
- •Цель работы: проверка соотношения между изменениями объема и давления определенного количества газа при его изотермическом сжатии. Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2 изучение изобарного процесса
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •II. Жидкости
- •Порядок выполнения работы
- •Если искривленная поверхность жидкости имеет сферическую форму то:
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 3 определение коэффициента поверхностного натяжения по методу счета капель
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •III. Явления переноса
- •Лабораторная работа №5 определение коэффициента внутреннего трения жидкости капиллярным вискозиметром
- •Вопросы к допуску:
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •IV. Реальные газы
- •Влажность воздуха
- •Упражнение 2 определение психрометрической постоянной аспирационным психрометром Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •V. Фазовые переходы
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 2 наблюдение за отвердеванием аморфного тела
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Упражнение 3 исследование свойств переохлажденной жидкости
- •Содержание и метод выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Приложения
- •Плотность некоторых твердых веществ при 200 с
- •Механика. Молекулярная физика
Порядок выполнения работы
В широкий сосуд (фотокювету) наливают чистую водопроводную воду.
Поверхность воды слегка посыпают тонким слоем талька.
На поверхность воды капают единственную каплю однопроцентного раствора олеиновой кислоты или какой-либо другой жирной кислоты.
Измеряют средний диаметр максимально расплывшегося масляного пятна. С этой целью измеряют диаметр пятна в шести различных направлениях и вычисляют среднеарифметическое значение.
Определяют путем взвешивания на аналитических весах массу бюкса m1.
Набирают в бюкс 3 капли раствора из той же бюретки и находят массу бюкса с раствором m2.
Вычисляют массу одной капли раствора: и массу олеиновой кислоты в одной капле раствора: m=0,01mр.
Подставляют численное значение m в формулу (2.10) и вычисляют число Авогадро.
Контрольные вопросы
В чем причина растекания капли жира по поверхности воды?
Выведите расчетную формулу, по которой определяется число Авогадро в данной лабораторной работе.
Какие способы определения числа Авогадро вам известны?
Где количество молекул больше: в 1г водорода или в 1г углекислого газа?
III. Явления переноса
В результате хаотического движения молекул и соударений между ними происходят непрерывные изменения их скоростей и энергий в веществе. Если в веществе существует пространственная неоднородность плотности, температуры или скорости упорядоченного движения отдельных слоев вещества, то на беспорядочное тепловое движение молекул вещества накладывается упорядоченное движение, которая ведет к выравниванию этих неоднородностей. Это движение называется явлением переноса.
К явлениям переноса относится теплопроводность, внутреннее трение и диффузия. Во всех трех явлениях имеется много общего, а именно в среде происходит направленный перенос какой-либо величины (энергии, количества движения, массы) из одной части вещества в другую до тех пор, пока данная величина не распределится равномерно по всему объему.
Явление теплопроводности состоит в направленном переносе энергии и возникает тогда, когда различные части среды имеют различную температуру, т. е. обладают различной внутренней энергией. Перенос тепла в теле происходит в направлении точек тела, имеющих более низкую температуру. Температура в различных точках тела является функцией координат точек и времени . Поверхности одинаковой температуры, уравнение которых можно представить в виде: называются изотермическими поверхностями.
В теории теплопроводности количество теплоты , которое проходит внутри тела через элемент поверхности определяется уравнением Фурье:
,
где время, коэффициент теплопроводности, – падение (градиент) температуры по направлению , которое служит нормалью к изотермической поверхности.
Градиент температуры показывает изменение температуры на единицу длины нормали к направлению движения тепла.
Знак минус показывает, что энергия переносится в сторону убывания температуры .
Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, переносимую через единицу поверхности, за единицу времени, при градиенте температуры, равном единице.
Явление внутреннего трения (вязкости) наблюдается в телах при всех агрегатных состояниях, но большое практическое значение это явление имеет для жидкостей и газов.
При движении жидкости или газа возникают силы внутреннего трения. Эти силы возникают вследствие того, что движение жидкости или газа слоистое и скорости перемещающихся слоев разные.
Силы внутреннего трения направлены к уравниванию скорости движения всех слоев. Уравнивание слоев осуществляется путем передачи молекулами более быстрого слоя количества движения молекулам слоя, движущегося медленнее. Это приводит к увеличению скорости движения более медленного слоя. Слой же, движущейся быстрее, начинает двигаться медленнее, так как молекулы из медленного слоя, попадая в более быстрый слой, получают в быстром слое некоторое количество движения, что приводит к его торможению.
Таким образом, внутреннее трение обусловлено переносом количества движения молекулами вещества, которые переходят из слоя в слой и создают возникновение сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными скоростями.
О пыт показал, что сила внутреннего трения пропорциональна величине площади соприкосновения движущихся слоев , градиенту скорости движения слоев, коэффициенту пропорциональности , который называется коэффициентом вязкости (закон Ньютона):
.
Градиентом скорости называется изменение скорости на единицу длины в направлении, перпендикулярном скорости движения слоев (рис.3.1). Коэффициент вязкости:
.
Коэффициент вязкости или коэффициент внутреннего трения есть физическая величина, численно равная силе внутреннего трения, между двумя слоями с площадью, равной единице при градиенте скорости, равном единице. В СИ .
Знак минус в формуле Ньютона показывает, что перенос импульса направлен противоположно градиенту скорости движения слоев.
Явление диффузии возникает тогда, когда состав среды в различных частях различен и заключается в самопроизвольном взаимном проникновении и перемешивании частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и твердых тел.
Явление диффузии связано с направленным переносом массы вещества. Перенос массы вещества подчиняется первому закону Фика:
,
где количество вещества, которое переносится за время через элементарную площадку в направлении нормали к рассматриваемой площадке в сторону убыли плотности градиент плотности (концентрации), изменение плотности на единицу длины по нормали к слоям. Минус означает, что масса переносится в сторону убывания плотности, коэффициент диффузии,
.
Коэффициентом диффузии называется физическая величина, численно равная количеству массы вещества, переносимый через единицу площади за единицу времени при градиенте скорости, равном единице в направлении нормали к рассматриваемой площади .