физика_ часть 1

K1 - константа ротационного вискозиметра для предельного напряжения сдвига для высоты уровня дисперсной системы h =7 см - имеет значение К1= 16,40 мм и формула (4.10) принимает следующий вид:

Q 16,40(P1 P0 ).

(11)

Как и в случае измерения вязкости, определение предельного напряжения

сдвига можно производить при различной высоте уровня в пределах от 7 до 3

	см. Тогда константу К1 следует	вычислять по формуле:
	К1	2192	,	(12)
		16,18h 20,38

или определять графически по кривой, аналогичной изображенной на рис. 5.

5.7.Методика измерений

1.Вискозиметр установить на горизонтальном лабораторном столе высо-

той 0,8 - 1,0 м.

2. На подвески 4 последовательно поместить грузы 1,5; 2,0 и 2,5 г, кла-

вишей «Пуск» 9 включить прибор и убедиться, что трение подшипников Р0 не превосходит допустимой величины 2,5 г и внутренний цилиндр 3 вращается.

3. Цилиндр 8 тщательно промыть и высушить, после чего в него налить определенное количество испытуемой жидкости. Затем верхнюю часть цилин-

дра 8 осторожно вставить и закрепить путем поворота вокруг штифтов 10.

Если вязкость жидкости достаточно высока, то измерения можно произ-

вести при комнатной температуре. Для этого, подвешивают на нити груз общим весом 5-10 г. Менее 5 г грузы брать не рекомендуется, так как тогда поправка на трение подшипников Р0 будет относительно велика. С другой стороны, не рекомендуется подвешивать на нити грузы общим весом более 200 г.

4.Подвесить первоначальный груз, запустить прибор клавишей «Пуск» и

дать шкиву повернуться на 2 оборота. После чего прибор сразу отключить во избежание запутывания нити. Если шкив не вращается, увеличить груз.

5.Зафиксировать по секундомеру время вращения шкива.

6.Далее пусковой механизм запереть и, вращая шкив в обратную сторо-

ну, поднять грузы. Произведя 3-4 повторных отсчета, вычислить среднее зна-

чение числа оборотов в секунду (n об/сек).

61

7. Затем последовательно нагрузить подвески еще 2-3 различными груза-

ми все большего веса и для каждого из них определить n об/сек. В конце опыта,

для контроля, вновь произвести наблюдения с первоначальным грузом.

Для измерения вязкости в области низких температур вискозиметр можно снабдить термостатом. В термостат опускают кусочки твердой углекислоты и понижают таким образом температуру до необходимого значения 0° или - 10°С

и т.п. При этом термостатирующую жидкость все время перемешивают. После этого выдерживают прибор в течение 0,5 часа для выравнивания температуры.

При измерениях предельного напряжения сдвига какой-либо дисперсной системы, у которой при низкой температуре в процессе охлаждения образова-

лась определенная структура, необходимо установить тот минимальный груз Р1

при котором начинается первоначальное смещение вращающейся системы вис-

козиметра. Для этого на нити прибора подвешивают постепенно все увеличи-

вающиеся грузы до тех пор, пока не произойдет сдвига шкива вискозиметра,

затем уточняют результат путем повторных наблюдений. Предельное напряже-

ние сдвига вычисляют непосредственно по формуле (11), (определив предвари-

тельно константу K1,при известном уровне жидкости h).

5.8. Методика вычисления вязкости

Определить для данной температуры жидкости число оборотов цилиндра вискозиметра в секунду n (об/сек) для 3-4 различных грузов Р.

Вычислить вязкость по формуле (7) и взять ее среднее значение. При этом необходимо предварительно, зная из опыта высоту уровня жидкости h,

найти для данного случая константу по графику рис. 5. Например, высота уров-

ня испытуемой жидкости в цилиндре равна 60 мм, тогда К1 будет равно 21 (см.

рис. 5 по направлению стрелки). Трение подшипников Ро, как указано выше,

определяется до начала опытов. Рекомендуется, во всех случаях строить графи-

ки зависимости n от Р. Тогда на основании графика, можно непосредственно вычислить среднюю вязкость жидкости по видоизмененной формуле (6), а

именно:

Kctg ,

где - угол наклона прямой.

62

Рис. 5. Зависимость константы (К1) ротационного вискозиметра от глуби-

ны (h) погружения в жидкость вращающегося цилиндра.

Разброс точек на графике зависимости n от Р сразу даст представление о правильности проведения опыта и о точности наблюдений. Кроме того, такие графики представляются очень важными потому, что они дают возможность выявить аномалию вязкости дисперсных систем. Действительно, для всех вяз-

ких нормальных жидкостей графики зависимости n от Р получаются всегда прямолинейными. Дисперсные же системы обнаруживают на графиках зависи-

мости n от Р кривые линии, выпуклые к оси Р.

После того, как проведены наблюдения, построены графики зависимости n от Р и вычислены значения вязкости, можно при необходимости построить график зависимости вязкости испытуемой жидкости от температуры.

Такие графики необходимо наносить в полулогарифмическом масштабе,

так как при линейном масштабе невозможно охватить весь интервал вязкости.

Вопросы для самоконтроля

1.Охарактеризуйте ламинарное и турбулентное движения жидкостей.

2.Дайте определение градиента скорости.

3.Напишите формулу Стокса и сформулируйте область ее применения.

63

4.Какие силы действуют в жидкости на падающий шарик? Чему равна каждая из этих сил? Как движется шарик в жидкости, начиная с ее поверхности?

5.Перечислите ограничения введенные Стоксом для использования метода

«падающего шарика».

6.Объясните, чем вызваны ограничения по использованию метода «падающе-

го шарика».

7.Как изменится значение коэффициента вязкости исследуемой жидкости, ес-

ли в опытах использовать шарики из вещества разной плотности?

8.Формула, описывающая закон Ньютона не содержит температуры. Сущест-

вует ли зависимость вязкости от температуры?

9.С какой целью в вискозиметр Стокса заполняют исследуемой жидкостью выше верхней метки?

Работа № 6. Метрология. Измерения линейных и угловых величин

Актуальность работы:

Изучение любых физических процессов невозможно без измерений. Из-

мерения являются основой эксперимента, а эксперимент - методом познания.

Близость результата полученного при измерении к истинному значению изме-

ряемой величины определяет точность измерения. Поэтому изучение правил считывания показаний со шкал всевозможных приборов, является неотъемле-

мым этапом процесса обучения специалиста практически любой профессии.

Цель работы:

Изучить устройство и принцип действия линейного и кругового нониу-

сов, микрометрического винта. Приобрести практические навыки измерений.

Целевые задачи:

знать: методику определения цены отсчёта,

уметь: находить цену деления отсчёта, проводить измерения с приборов,

имеющих линейный и круговой нониусы.

64

План подготовки конспекта:

1.Основные теоретические сведения

2.Выяснить, как вычислить цену деления отсчёта штангенциркуля,. мик-

рометра и поляриметра.

3. Повторить, как проводится статистическая обработка результатов из-

мерений.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1. Что называется нониусом?

2.Формулы для нахождения цены деления отсчёта?

3.Найти цену деления отсчета микрометра и поляриметра?

4.Провести измерения размеров с помощью микрометра?

5.Провести измерения угла вращения плоскости поляризации с помощью поляриметра?

Приборы и оборудование: микрометр, штангенциркуль, колориметр, поляри-

метр.

Теоретические сведения.

Изучение любых физических процессов невозможно без измерений. Из-

мерения являются основой эксперимента, а эксперимент - методом познания.

Близость результата полученного при измерении к истинному значению изме-

ряемой величины определяет точность измерения. Поэтому изучение правил считывания показаний со шкал всевозможных приборов, является неотъемле-

мым этапом процесса обучения специалиста практически любой профессии.

Для осуществления измерений физических величин необходимы средства измерения. Выбор средств измерений, цены деления шкалы, а соответственно и точности измерений, обусловливаются задачами, лежащими перед специали-

стом.

Простейшим устройством для измерения линейных величин является обычная линейка (рис. 5.1).

Цена деления шкалы (цена деления отсчета) такой линейки равна 1 см.

65

Рис. 5.1. Линейка с ценой деления 1 см

Если взять линейку, у которой на каждую значащую цифру приходится два деления, то цена деления, в этом случае, будет равна 0,5 (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Линейка с ценой деления 0,5 см

Для увеличения точности измерений используют устройство, состоящее из масштабной основной линейки и нониуса. Нониус представляет собой до-

полнительную линейку, которую можно перемещать вдоль масштабной основ-

ной линейки. Он служит для отсчета долей наименьшего деления основной шкалы. Цена деления нониуса Сн, которая меньше цены деления шкалы мас-

штабной основной линейки, рассчитывается по формуле:

Cн		nш	Сш		nн 1		Сш ,	(5.1)
					nн
		nн

где (nн-1) - число делений, соответствующее длине нониуса; Сш - цена де-

ления основной шкалы.

На практике чаще всего изготавливают нониус с числом делений nн=10.

Если цена деления основной шкалы масштабной линейки Сш=1, то цена деле-

ния такого нониуса, согласно формуле (5.1), будет равна Сн=0,9. Такой нониус

имеет длину равную 9 делениям масштабной основной линейки (рис. 5.3).
Цена деления отсчета такого устройства:
С0 = Сш - Сн.	(5.2)
Для рассмотренного примера цена деления отсчета равна:

66

С0=1,0 0,9=0,1 (мм).

Рис. 5.3. Нониус с ценой деления равной 0,9

При измерении с помощью нониуса (см. рис. 5.4) измеряемый предмет располагается вдоль масштабной линейки так, чтобы один конец его совпадал с нулем масштабной линейки, а нуль нониуса, совмещается с другим концом из-

меряемого предмета.

Рис. 5.4. Определение длины предмета с помощью нониуса

Для определения длины предмета L нужно измерить расстояние между нулем масштабной линейки и нулем нониуса. Из рисунка видно, что длина предмета больше 9 мм. Чтобы определить, на сколько предмет больше 9 мм,

нужно по шкале нониуса найти деление, которое точно совпадает с делением масштабной линейки.

В данном примере деление нониуса 9 совпадает с делением шкалы мас-

штабной линейки (указано стрелкой). Значит длина предмета L=9,9 мм.

67

Таким образом, число целых делений отсчитывают по масштабной ли-

нейке между ее нулем и нулем нониуса, а число десятых долей - по номеру де-

ления нониуса, совпадающего с делением основной шкалы.

5.2. Измерения штангенциркулем

Простейший, широкого применения штангенциркуль позволяет произво-

дить измерения с точностью до 0,1 мм. Штангенциркуль (рис. 5.5) представляет собой измерительный прибор состоящий из масштабной линейки (1) с наи-

меньшим делением 1 мм, выполненной как одно целое с основанием А и под-

вижной рамки В, на которой расположен нониус (2). Винт Б, расположенный на рамке, служит для ее фиксирования. С помощью штангенциркуля можно из-

мерять не только внешние, но и внутренние размеры (например, диаметр отвер-

стия). Для этого пользуются верхними выступами губок Д, которые опускают в измеряемое отверстие и раздвигают до соприкосновения их со стенками отвер-

стия. Для измерения глубины (паза) пользуются выдвижным штырьком - глу-

биномером Г.

Рис. 5.5. Устройство штангенциркуля

Для определения: внешних размеров измеряемое тело (4) помещают меж-

ду губками (3) штангенциркуля; внутреннего диаметра – между губками Д;

глубины паза – глубиномером Г. Затем по масштабной линейке (1) и нулевой отметке нониуса (2) определяют количество целых мм. Десятые доли опреде-

68

ляют по делению нониуса, совпадающего с делением масштабной линейки. На рисунке показан пример, когда показания штангенциркуля соответствуют 13,4

мм.

5.3. Микрометрический винт. Микрометр

Для измерения с точностью, большей 0,1 мм, пользуются приборами,

действие которых основано на использовании микрометрического винта. Винт представляет собой стержень (рис. 5.6), на который, с определенным шагом,

нанесена резьба.

Шагом винта называется расстояние, на которое перемещается винт вдоль своей оси, если он совершает один оборот (это расстояние h между двумя соседними витками резьбы). Если говорят, что шаг винта равен 0,5 мм, это зна-

чит, что за один полный оборот вокруг оси винт перемещается на 0,5 мм. Если на головку винта нанести 50 равных делений, то при повороте винта на одно такое деление винт сместится вдоль оси на 0,01 мм.

Рис. 5.6. Устройство микрометрического винта.

Микрометр (рис. 5.7) состоит из массивной скобы (1), в которой вмонти-

рована с одной стороны опорная пята (2), с другой микрометрический винт.

Один конец винта в виде стержня (3) входит внутрь муфты (4), а другой соеди-

нен с подвижной втулкой (7). Микрометрический винт проходит внутри втулки

(5) с внутренней резьбой. На неподвижной втулке (5) нанесены продольная ли-

ния и основная шкала. Цена деления такой шкалы равна 0,5 мм, т. к. над нуле-

вой линией шкалы (9) обозначены половинки мм, а под ней - целые. Продоль-

ная линия, вдоль которой стоят деления шкалы, служит нулевой линией для от-

69

счета по шкале лимба (6) сотых долей мм. Подвижная втулка (7), с помощью которой производится перемещение микрометрического винта и стержня (3),

заканчивается лимбом (6). На лимбе (6) нанесена шкала, перемещающаяся вме-

сте с втулкой. Лимб содержит 50 делений. Перемещение лимба на одно деление его шкалы соответствует перемещению винта на 0,01 мм.

Измеряемое тело (10) помещают между опорной пятой (2) и поверхно-

стью микрометрического винта (3). Для того чтобы измеряемое тело не дефор-

мировалось при измерениях втулку (7) вращают только трещоткой (8), которая имеет свободный ход уже при неподвижном винте. Это позволяет всегда при-

жимать измеряемое тело с одинаковым усилием.

Отсчет целых мм производится по нижней части шкалы 9, а половинок

(т.е. 0,5 мм) по верхней. Сотые доли мм отсчитываются по делению лимба (6)

совпадающего с нулевой линией шкалы (9). На рисунке показания микрометра соответствуют 2,63 мм.

Рис. 5.7. Устройство микрометра

70