Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини

Мета: визначити коефіцієнт поверхневого натягу води сталагмометричним методом.
Обладнання: лінійка, склянка з водою, медичний шприц 5 мл.
Виконання роботи:

При повільному витіканні рідини з вертикальної трубки на її кінці утворюється крапля, яка повільно зростає. Коли сила тяжіння Fтяж = m0g, що діє на краплю масою m0, дорівнюватиме за модулем силі поверхневого натягу Fпов = πdσ, крапля відірветься. В момент відриву, Fпов = Fтяж  тоді
 де V0 – об’єм однієї краплі, d – внутрішній диаметр трубки.

Щоб визначити об’єм однієї краплі, об’єм рідини V, що витекла, ділять на кількість крапель N. Тоді остаточна формула для обчислення коефіцієнту поверхневого натягу:

Виконання роботи:

1. Лінійкою виміряти внутрішній диаметр вихідного отвору шприца d.
2. Набрати у шприц 5 мл води та, тримаючи шприц вертикально, потроху тиснути на поршень. Тиснути треба повільно так, щоб краплі відривалися під силою власної ваги.
3. Рахуючи краплі, накрапати у склянку 1 мл води. Отриманий результат занесіть до таблиці.
4. Рахуючи краплі, накрапати у склянку 2 мл води. Отриманий результат занесіть до таблиці.
5. Рахуючи краплі, накрапати у склянку 3 мл води. Отриманий результат занесіть до таблиці.
6. За результатами вимірювання обчислити для кожного досліду значення коефіцієнту поверхневого натягу води. Отриманий результат занесіть до таблиці.Обчисліть середнє значення коефіцієнту поверхневого натягу води.

7. Оцінити відносну похибку – відхилення експериментального значення коефіцієнта поверхневого натягу води від його табличного значення:

8. Зробити висновок, в якому зазначити: яку величину ви вимірювали; яким є результат вимірювання; у чому причина похибки вимірювання.

Контрольні питання:

1) Що таке поверхневий натяг рідини?
2) Що таке коефіцієнт поверхневого натягу рідини?
3) Від чого залежить поверхневий натяг? Чому він дорівнює?
4) Чому в момент відриву краплі шприц не можна струшувати?
5) Запропонуйте ще один спосіб вимірювання маси однієї краплі води.
6) Чому рідина прагне набути форми кулі?
7) Куди буде напрямлена сила поверхневого натягу мильної плівки, що має форму кулі?

Вивчення ізобарного процесу

Вивчення ізобарного процесу

Мета: експериментально перевірити закон Гей-Люссака.
Обладнання: скляна трубка, запаяна з одного кінця, циліндрична скляна посудина із гарячою водою, скляна посудина з водою кімнатної температури, лінійка, термометр.
Виконання роботи:

  1. Виміряти довжину скляної трубки, що буде відповідати значенню висоти стовпчика повітря в трубці L1. Результат вимірювання занести до таблиці.
  2. Заповнити циліндричну скляну посудину гарячою водою та опустити трубку запаяним кінцем у воду.
  3. Почекати 3 – 5 хв, після цього виміряти температуру гарячої води (яка буде відповідно дорівнювати температурі повітря у трубці Т1). Результат вимірювання занести до таблиці, значення температури подати у кельвінах.
  4. Закрити пальцем відкритий кінець трубки, перевернути її та швидко опустити закритим кінцем у посудину із водою кімнатної температури. Після цього прибрати палець.
  5. Почекати 3 – 5 хв, змінити глибину занурення трубки так, щоб рівень води у посудині та трубці були рівні (див. рисунок). Виміряти температуру повітря у кабінеті Т2 та довжину стовпчика повітря у трубці L2. Результати вимірювань записати у таблицю.
  6. Обчислити відношення висоти стовпчика повітря до його температури
    (С = L/T) для двох станів та порівняти їх.
  7. Оцінити відносну похибку перевірки рівності:
  8. Зробити висновок, в якому зазначити: який закон експериментально перевірявся; які величини для цього вимірювали; яким є результат перевірки; у чому причина похибки; вимірювання якої величини дає найбільшу похибку.

Контрольні питання:
1) Які термодинамічні параметри характеризують стан газу?
2) Який процес називають ізобарним?
3) Який закон справджується для ізобарного процесу? Сформулюйте цей закон.
4) Які термодинамічні параметри змінювалися у ході проведення експерименту, а які залишалися сталими?
5) Чи змінювалася маса повітря в трубці протягом експерименту? Якщо змінювалася, то як?
6) Чому для перевірки ізобарного закону достатньо знати довжину трубки та не треба вимірювати площу отвору?
7) Чому у досліді треба чекати 3 – 5 хв перед тим, як виміряти температуру води у посудині або висоту стовпчика повітря у трубці?
8) Навіщо вирівнювати рівні води у посудині та трубці перед тим, як виміряти висоту стовпчика повітря (п.5)?

Нові визначення базових одиниць СІ

16 листопада 2018 року

у Палаці Конгресу у Версалі відбулося засідання XXVI Генеральної конференції з заходів та ваг (ГКМВ). На голосування було поставлено резолюцію, що закріплює нові визначення чотирьох із семи базових одиниць Міжнародної системи одиниць СІ – кілограма, ампера, кельвіна та моля. Тепер систему СІ буде оновлено, і з неї зникне останній матеріальний еталон – еталон кілограма.

Тепер затверджено нове визначення кілограма, засноване на сталій Планка.
Нове визначення ампера буде з чисельним значенням електричного заряду.
Нове визначення кельвіна засноване на сталій Больцмана.
Моль буде визначений через зафіксовану сталу Авогадро.
Тепер всі одиниці будуть прив’язані до сталих, що не схильних до зносу.

Відмова від матеріальних зразків дозволяє різним державам створювати свої первинні еталони незалежно з інших країн. А від точних вимірювань часу, відстаней та мас сьогодні залежить безліч речей – від супутникової навігації, роботи мобільних телефонів до правильної роботи магазинних ваг.

Проект реформи був схвалений сьогодні, але набуде чинності у Всесвітній день метрології – 20 травня 2019 року.

ПОЯСНЕННЯ

У міжнародній системі одиниць вимірювання СІ (від французької Le System System d’Unites, SI) прийнято сім основних величин: довжина, маса, час, електричний струм, термодинамічна температура, кількість речовини та сила світла. Одиниці вимірювання дли них – основні одиниці СІ – метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, моль і кандела, відповідно. Для точного виміру базових величин вчені створюють еталони, оскільки вимір є порівняння чогось із еталоном.

Одиниця вимірювання довжини – метр – спочатку була прив’язана до довжини паризького меридіана, потім до довжини хвилі випромінювання атома криптона-86. Зараз метр визначається за допомогою сталої Планки: це відстань, яка проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 секунди.

Одиниця вимірювання временисекунда – з 1967 року визначається як інтервал часу, що відповідає 9192631770 періодів випромінювання між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Одиниця вимірювання сили світла  кандела  – з 1979 року визначається як сила світла в даному напрямку від джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частоти 540 × 1012 герц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 вата на стерадіан (тут 683 — значення максимальної світлової ефективності, встановлене ГКМВ). Точне значення коефіцієнта максимальної світлової ефективності, що використовується разом з функцією, дає відношення сили світла до енергетичної сили світла монохроматичного випромінювання будь-якої довжини хвилі.

Майже всі одиниці теж поступово виявилися прив’язані до фундаментальних фізичних сталих (ФФС).

7 квітня 1795 року бюро мір і ваг прийняло за одиницю грама «абсолютну вагу об’єму чистої води, що дорівнює кубу [зі стороною] в соту частину метра, і за температури танення льоду». Для матеріалізації цієї маси спочатку створили еталон із платини.
Згідно з паризькою угодою 1875 року за одиницю вимірювання маси – кілограм – був прийнятий оригінальний циліндр діаметром і висотою 39,17 мм з платино-іридієвого сплаву (90% платини, 10% іридію), який зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг (розташовано в Севрі біля Парижа). Сплав платини та іридію хімічно інертний, має високу твердість та зносостійкість, відносно малий коефіцієнт теплового розширення, велику густину та наділений парамагнітними властивостями.
Однак наприкінці минулого століття вчені виявили, що маса еталона кілограма змінювався приблизно на 0,3 мікрограми на рік, тобто на 30 мікрограмів за більш ніж 100 років. Це відбувається через випаровування атомів із поверхні циліндра. Це досить велике значення для сучасних вимог до точності. Кілограм є однією із семи основних одиниць СІ, і накопичені відхилення можуть стати причиною так званої технічної системної кризи. Саме тому наукова спільнота вирішила перевизначити кілограм через точно виміряну та фіксовану сталу Планку.

Установка, за допомогою якої можна реалізувати новий стандарт маси, називається ваги Кіббла.
Ваги Кіббла використовувалися з середини 1970-х років для вимірювання величини сталої Планки. Співробітники Національного інституту стандартів США Пітер Мор та Баррі Тейлор у 1999 році запропонували зафіксувати величину сталої Планки та визначати масу за допомогою ваг Кіббла. Посмертно назване на честь винахідника Браяна Пітера Кіббла, це вдосконалені струмові ваги, в яких еталоном виступає вантаж, який врівноважує силу відштовхування між постійним магнітом та котушкою, якою пропускають струм. Таким чином, масу об’єкта можна знайти за рахунок рівності електричної та механічної сил.

Одиниця вимірювання сили струму – амперзатверджене в 1948 році, було засноване на вимірюванні сили, що діє на паралельні провідники зі струмом. Тепер нове визначення ампера засноване на численному значенні електричного заряду.

Одиниця вимірювання температури – кельвін – до сьогоднішнього дня визначалася як 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води (це строго певні значення температури та тиску, при яких вода може одночасно і рівноважно існувати у твердому, рідкому та газоподібному станах). Це визначення створювало свої незручності, оскільки у воді завжди є домішки важких ізотопів водню та кисню, і вони можуть значно пересуває потрійну точку. Тому метрологам довелося створити окремий стандарт – Віденський стандарт усередненої океанської води. Її рецепт виглядає так: 0,00015576 моля дейтерію на моль звичайного водню. Крім того, для того, щоб визначати точні значення в інших діапазонах, ученим доводилося контролювати точки плавлення та кипіння кількох інших речовин. Нове визначення кельвіна засноване на сталій Больцмана.

Одиниця вимірювання кількості речовини – моль – була прив’язана до кількості атомів 0,012 кілограма стабільного вуглецю-12, тобто був пов’язаний з масою. Нове визначення моль буде визначено через зафіксовану сталу Авогадро.

 

Питання до теми “Динаміка”

Питання до тематичної атестації з теми “Динаміка”:

1. Визначте рівнодіючу сил, що діють на тіло, якщо маса тіла 1 т, а рівняння його руху має вигляд x = –200 + 20t – 2t2.
2. Визначте масу тіла, якщо проекція швидкості його руху під дією сили 400 Н змінюється відповідно υx = 4 + 5t.

3. Поясніть ситуації:

3.1. Удар молотком розбиває скло на дрібні осколки, а куля, що летить швидко, пробиває в склі тільки отвір.

3.2. Коли птах злітає, тонка гілка, на якій він сидів, спочатку опускається, а потім піднімається.

3.3. Чому в результаті зіткнення вантажівки з легковим автомобілем останній отримує серйозні пошкодження, адже сила удару, відповідно до третього закону Ньютона, однакова?

4. Сталевий брухт масою 10 кг лежить на землі горизонтально. З якою силою треба діяти на брухт, щоб підняти один з його кінців?
5. На нитці, перекинутої через нерухомий блок, підвішено тіло масою 0,5 кг. Яку силу необхідно прикласти до вільного кінця нитки, щоб система перебувала в рівновазі?
6. Тіло, вісь обертання якого закріплена і проходить через центр мас тіла, знаходиться в стані спокою. На тіло починають діяти три сили. Що відбувається з тілом?

а) залишиться в стані спокою; б) повернеться за годинниковою стрілкою;
в) повернеться проти годинникової стрілки; г) неможливо сказати

7. Тіло, вісь обертання якого закріплена і проходить через його центр мас, знаходиться в стані спокою. На тіло починають діяти три сили (рис. 2). Що відбувається з тілом?

а) залишиться в стані спокою; б) повернеться за годинниковою стрілкою;
в) повернеться проти годинникової стрілки; г) неможливо сказати

Ускорение свободного падения

Свободное падение — падение тел в безвоздушном пространстве под действием силы тяжести. Является равноускоренным движением.
Падение тел в воздухе можно приближенно считать свободным лишь при условии, что сопротивление воздуха мало и им можно пренебречь.

В случае свободного падения все тела, независимо от их массы, падают с одинаковым ускорением, которое называют ускорением свободного падения (g). Вектор ускорения свободного падения всегда направлен вертикально вниз.

Ускорение свободного падения — это ускорение, которое приобретают все тела при свободном падении вблизи поверхности независимо от их массы.

У поверхности Земли ускорение свободного падения считается величиной постоянной и расчитывается по формуле:

ускорение формула

G = 6,67408(31)·10−11 Н·м²·кг−2 – гравитационная постоянная;
M – масса Земли;
R – радиус Земли.
При этом значение ускорения свободного падения приблизительно равно
g = 9,81 м/с².
Ускорение свободного падения зависит от расстояния между центром планеты и поднятым над её поверхностью телом.
Для более точного расчета применяют формулу:

ускорение формула_2

h- высота подъема тела над поверхностью Земли;
Rз – радиус Земли

Ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела! Вектор ускорения свободного падения всегда направлен к центру Земли.

Ускорение свободного падения зависит:

1. от географической широты;
так как Земля сплюснута у полюсов из-за вращения вокруг своей оси
на полюсе g = 9,832 м/с²
на экваторе = 9,78 м/с²
Точные значения ускорения свободного падения для падающих тел на полюсе и на экваторе будут различны из-за неправильной формы Земли.
2. от высоты подъема тела над поверхностью Земли;
вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения считается равным
9,8 м/с²
3. от гравитационных аномалий Земли, т.е. залежи полезных ископаемых искажают значение ускорения свободного падения в этих областях.

Для других планет ускорение свободного падения определяется аналогично. На каждой планете ускорение свободного падения зависит от радиуса и массы данной планеты:

ускорение формула_3

 

Маятники

Маятник – твёрдое тело, подвешенное в поле тяжести и совершающее механические колебания около неподвижной точки или оси под действием  сил тяжести, упругости и трения.

Во время колебаний маятника происходят постоянные превращения энергии из одного вида в другой. Кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную энергию (гравитационную, упругую) и обратно. Кроме того, постепенно происходит диссипация кинетической энергии в тепловую за счёт сил трения.

Маятники используются в различных приборах, например, в часах и сейсмографах.

Виды маятников:

 

Маятник Максвелла

Маятник Максвелла

Маятник Максвелла – массивный диск, ось которого подвешена на двух накрученных на нее нитях. При наматывании нитей на маятник, маятник поднимается вверх. Если маятник отпустить, то он будет совершать возвратно- поступательное движение в вертикальной плоскости при одновременном вращении диска маятника вокруг горизонтальной оси.

 

Крутильный маятник

Крутильный маятник

Крутильный маятник – механическая система, представляющая собой тело, подвешенное в поле тяжести на тонкой нити и обладающее лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

 Если при повороте тела в нити возникает момент силы, пропорциональный углу поворота, то тело будет вращаться по гармоническому закону с периодом
T=2\pi {\sqrt {{\frac {I}{K}}}},

где I — момент инерции тела относительно оси кручения, а K — вращательный коэффициент жёсткости маятника.

Крутильный маятник представляет собой очень чувствительный механический прибор. Именно с помощью крутильного маятника изучается, например, гравитационное взаимодействие массивных тел в лаборатории и проверяется закон всемирного тяготения на субмиллиметровом масштабе.

Маятник Капицы

Маятник Капицы

Маятник Капицы – система, состоящая из грузика, прикреплённого к лёгкой нерастяжимой спице, которая крепится к вибрирующему подвесу. Маятник носит имя академика и нобелевского лауреата Петра Леонидовича Капицы, построившего в 1951 г. теорию для описания такой системы.

При неподвижной точке подвеса, модель описывает обычный математический маятник, для которого имеются два положения равновесия: в нижней точке и в верхней точке. При этом равновесие математического маятника в верхней точке является неустойчивым, и любое сколь угодно малое возмущение приводит к потере равновесия.

Удивительной особенностью маятника Капицы является то, что, вопреки интуиции, перевёрнутое (вертикальное) положение маятника может быть устойчивым в случае быстрых вибраций подвеса. Хотя такое наблюдение было сделано еще в 1908 г. А. Стефенсоном, в течение длительного времени не имелось математического объяснения причин такой устойчивости. П. Л. Капица экспериментально исследовал такой маятник, а также построил теорию динамической стабилизации, разделяя движение на «быстрые» и «медленные» переменные и введя эффективный потенциал.

Источник