Файл: ФИЗИКА Методические указания к комплексу лабораторных работ по физике для студентов-заочников(механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика).pdf

(где M – молярная масса газа; R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура) и соотношения (4) следует формула для показателя адиабаты

Формула (6) используется в данной лабораторной работе для определения показателя адиабаты воздуха.

Скорость звука определяется методом стоячей волны. Стоячая волна образуется, например, при положении двух плоских гармонических волн,

где h1, h2 – смещение частиц среды в первой волне и во второй волне соответственно; A0 – амплитуда колебаний; w – циклическая частота; k – волновое число. Результирующая волна имеет вид

где λ – длина звуковой волны.

Это стоячая волна, которая характеризуется, как следует из формулы (8), чередующимися пучностями и узлами. В местах расположения пучностей амплитуда стоячей волны максимальна, в местах расположения узлов

Таким образом, длина звуковой волны может быть найдена по измеренным значениям x . Скорость звука , в свою очередь, можно рассчитать по формуле

где – частота звуковой волны. Окончательно для скорости звуковой волны получается выражение

которое и используется в данной лабораторной работе для определения скорости звука в воздухе.

42

Описание установки

Схема установки представлена на рисунке. Звуковая волна создается в длинной стеклянной трубке 1 с одной подвижной стенкой М. Вдоль трубы расположена линейка 2. В неподвижной стенке трубы укреплен телефон Т, соединенный со звуковым генератором ЗГ. В подвижной стенке трубы укреплен регистрирующий микрофон, соединенный с входом электронного осциллографа ЭО. В стеклянной трубке

происходит наложение бегущей волны от телефона Т и отраженной волны от подвижной стенки М. Результирующая волна – стоячая.

Порядок выполнения работы

1.Включить звуковой генератор и осциллограф.

2.После прогрева приборов установить на звуковом генераторе частоту волны и необходимую амплитуду сигнала (по указаниям преподавателя).

3.Установить для удобства регистрации необходимую частоту развертки осциллографа. Перемещая подвижную стенку М, убедиться, что на экране осциллографа отчетливо видны максимальный по величине сигнал (пучность) и минимальный сигнал (узел).

4.Измерить координаты всех узлов и пучностей вдоль стеклянной трубки. Измерить температуру воздуха.

5.Вычислить среднее значение < х > расстояния между узлами и пучностями.

6.Вычислить среднее значение скорости звука и среднее значение показателя адиабаты воздуха, используя формулы (6) и (11). Рассчитать погрешности измерения υ и γ.

7.Провести измерения υ и γ на других частотах (по указанию преподавателя), повторяя пп. 3 – 6.

8.Проанализировать полученные результаты.

Дополнительное задание

Исследовать зависимость скорости звука в воздухе от частоты.

43

Контрольные вопросы

1.Вывести выражение для скорости звука в газе.

2.Почему процесс распространения звуковой волны адиабатический?

3.Как, используя стоячие волны, можно определить скорость звука?

4.Как в данной установке определяются положения узлов и пучностей?

5.Чему равно теоретическое значение показателя адиабаты воздуха, вытекающее из классической теории идеального газа?

Список рекомендуемой литературы

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Механика: В 5 т. Т. 1. Механика. – М.: Наука, 1979. § 85. – 519 с.

2.Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. – М.: Наука, 1990. § 82. – 592 с.

3.Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 1. – М.: Наука, 1977.

§97. – 352 с.

4.Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. – M.: Наука, 1978. Т. 2.

§99. – 480 с.

Лабораторная работа № 2-5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВОДЫ

Цель работы: ознакомиться с понятием поверхностного натяжения жидкостей и двумя методами измерения коэффициента поверхностного натяжения.

Оборудование: а) торсионные весы, кольцо на подвеске, делительная воронка, стаканчик; б) мерная бюретка с воронкой, сосуд с жидкостью, микроскоп, термометр.

Введение

Широкое распространение в мире наряду с силами тяготения, упругости, трения получили силы поверхностного натяжения. В природе известно три агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым и газообразным состояни-

44

ем. По мере развития представления о строении вещества было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. На рис. 1, а приведена качественная характеристика межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами. Силы отталкивания – положительны, а силы взаимного притяжения – отрицательны.

расстояния между молекулами на dr совершается за счет взаимной потенциальной энергии молекул

A F dr d .

На рис. 1, б приведена качественная зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Из данной

кривой следует, что при r r0

взаимодействующие молекулы обладают минимальной потенциальной энергией.

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил притяжения, быстро убывающих с расстоянием, которое (порядка 10–9 м) называется радиусом молекулярного действия R, а сфера радиуса R – сферой молекулярного действия.

Рассмотрим выделенную внутри жидкости молекулу А (рис. 2). На расстоянии R на молекулу действуют соседние молекулы, входящие в сферу

45

молекулярного действия. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны, поэтому результирующая сила внутри жидкости равна нулю. Однако в поверхностном слое – молекула В – равновесие нарушается, так как сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. На молекулу действует сила притяжения со стороны жидкости и пара. Равнодействующая сила F не равна нулю и направлена внутрь жидкости, потому что концентрация молекул в газе мала по сравнению с концентрацией в жидкости. Этим объясняется происхождение внутреннего давления поверхностного слоя на жидкость и стремление поверхности жидкости уменьшить свою площадь.

Переход молекул из глубины жидкости в ее поверхностный слой возможен только при совершении работы против молекулярных сил. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул жидкости и приводит к увеличению потенциальной энергии молекул поверхностного слоя. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия Е, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называется поверхностной энергией и пропорциональна площади слоя S

Коэффициент пропорциональности σ между поверхностной энергией и площадью поверхности называется коэффициентом поверхностного натяжения. Величина его зависит от рода обеих сред, образующих поверхность, и от температуры.

Равновесное состояние жидкости ( r r0 ) харак-

теризуется минимумом потенциальной энергии, складывающейся из поверхностной и потенциальной энергий в поле тяжести. В связи с этим жидкость при отсутствии внешних сил будет стремиться при заданном объеме сократить свою поверхность до минимума и принимать шарообразную форму. Выделим часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром (рис. 3). Под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости сокращает-

ся, и рассматриваемый контур переместится в новое положение. Эти силы направлены по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно к

46

участкам контура, на котором они действуют. При перемещении выделенного участка на расстояние x под действием силы F поверхностного натяжения совершается работа F x за счет уменьшения поверхностной энергии Ε

F x E ,

отсюда следует, что сила поверхностного натяжения

где знак «минус» указывает на то, что сила направлена в сторону, противоположную смещению x . Анализируя полученные формулы (1) и (2), установили, что коэффициент поверхностного натяжения σ представляет собой и энергетическую, и силовую характеристику поверхностного натяжения жидкостей: он является поверхностной энергией, которой обладает единичная площадь поверхности, и в то же время является силой поверхностного натяжения, которая действует на контур единичной длины.

А. Метод отрыва кольца

Сущность метода состоит в том, что измеряют силу, которую необходимо приложить, чтобы оторвать от поверхности жидкости смачиваемое тонкое металлическое кольцо. Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения σ представляет собой торсионные весы Т (рис. 4), у которых вместо чашечки на крючок коромысла подвешено тонкое металличе-

ское кольцо O. С помощью кронштейна к стойке весов крепится делительная

воронка А с краном К, заполненная исследуемой жидкостью (водой). Если подвести уровень воды под кольцо так, чтобы оно нижним основанием коснулось поверхности воды, то в результате взаимодействия молекул воды и кольца вода начнет подниматься по стенкам смачиваемого кольца, а само кольцо немного втянется внутрь жидкости. При медленном опускании поверхности воды между кольцом О и поверхностью образуется цилиндрическая пленка П (рис.4, б). Увеличивающая поверхность жидкости

47

стремится сократиться. Сила поверхностного натяжения, действующая на внешнюю и внутреннюю поверхности пленки, тянет кольцо вниз, закручивая пружину торсионных весов. Сила упругости пружины возрастает с закручиванием пружины по мере понижения уровня воды, и в момент отрыва кольца от поверхности воды будет равна силе F поверхностного натяжения. Разрыв поверхности жидкости происходит по внешней и внутренней окружностям кольца, общая длина которых для тонкого кольца близка к величине 2πD , где D – диаметр кольца. Коэффициент поверхностного

натяжения найдем по формуле (2)

F .

Уровень воды в делительной воронке опускают и поднимают с помощью резиновой груши (рис. 4) при открытом кране К.

Порядок выполнения работы

1.При арретированной весовой системе (рычаг R арретира отведен влево) установить весы по уровню с помощью винтов так, чтобы пузырек уровня находился в центре кружка.

2.Привести весы к нулевому положению. Для этого повесить на крючок добавочный грузик 100 мг, указательную стрелку поставить на нулевую отметку шкалы, освободить арретир, совместить нулевой штрих подвижной шкалы с положением контрольной стрелки.

3.Отведя рычаг R влево, арретировать весовую систему, снять добавочный грузик в 100 мг.

4.Отведя рычаг вправо, освободить весовую систему, открыть кран К и, слегка нажимая на резиновую грушу, медленно подвести уровень воды под нижнее основание кольца. Контрольная стрелка М должна быть немного правее нулевого штриха подвижной шкалы.

5.Для измерения силы поверхностного натяжения открыть кран настолько, чтобы вода очень медленно убывала из делительной воронки, и когда контрольная стрелка М совместится с нулевым штрихом подвижной шкалы, удерживать ее в этом положении, закручивая рычагом S пружину

весов. Зафиксировать положение указательной стрелки S (показание весов F ), при котором кольцо отрывается от поверхности воды. Измерение повторить не менее 10 раз и вычислить среднее значение.

48