Лабораторная установка состоит из стеклянного цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью. Метод Стокса по определению коэффициента вязкости жидкости состоит в измерении скорости падения шарика в жидкости. Путь, проходимый шариком, измеряют миллиметровой линейкой, наклеенной на цилиндр, а время падения – секундомером.
При падении шарика в жидкости к нему прилипает слой жидкости, движущийся вместе с ним. Следующие слои движутся с меньшей скоростью, и эта скорость по модулю будет тем меньше, чем дальше находится слой от движущегося шарика. Между этими слоями вдоль их поверхности и возникает сила трения. Стокс определил силу трения, действующую на шары, при сравнительно небольших скоростях:
, (6)
где 
- скорость движения шарика, 
- радиус шарика, 
- коэффициент вязкости жидкости.
Рассмотрим силы, действующие на шарик, падающий вертикально в жидкости (рис. 2)
1. Сила тяжести 
, направленная вертикально вниз; масса шарика 
(
- плотность вещества шарика, - радиус шарика); 
2. Выталкивающая сила (сила Архимеда), направленная вертикально вверх.
, 
, где 
- плотность жидкости.
3. Сила трения , направленная в сторону, противоположную направлению движения, то есть вертикально вверх.
Сила тяжести 
и сила Архимеда 
не зависят от скорости движения шарика, а сила трения 
возрастает с увеличением скорости. В начале, когда > 
, шарик движется с ускорением, увеличивая скорость, а, следовательно, и увеличивается . По достижении некоторой определенной скорости, сила трения и выталкивающая сила в сумме уравновешивают силу тяжести, и с этого момента шарик начнет двигаться равномерно, то есть с постоянной скоростью
,
откуда 
.
Подставляя скорость равномерного движения 
, получим формулу:
, (7)
где 
- путь, 
- время равномерного движения шарика в жидкости.
Выполнение работы
1. Измерить микрометром диаметр шарика. Измерения для каждого шарика проделать несколько раз (не менее трех) в разных положениях. Найти среднее значение радиуса 
шарика.
2. Опустить шарик в цилиндр с исследуемой жидкостью так, чтобы он падал посередине сосуда. С помощью секундомера измерить время падения шарика, начиная с расстояния 3…5 см от поверхности жидкости и до дна сосуда. Сначала падение шарика в жидкости ускоренное, а, начиная с глубины 3…5 см, становится равномерным. Время записать в таблицу.
3. Измерить путь 
, пройденный шариком при равномерном движении в жидкости.
4. Аналогичные измерения проделать с другими шариками.
5. По формуле (7) вычислить коэффициенты вязкости для каждого опыта. Определить среднее значение 
.
6. Найти для каждого опыта по среднему значению абсолютную погрешность 
, а затем среднее значение 
.
7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
8. Записать выводы и результат в виде: 
.
Таблица измерений и вычислений
|
| ||||||||
| № п/п | 
| 
| 
| , м
| 
| 
| 
| 
|
| 1 |
|
|
| |||||
| 2 | ||||||||
| 3 | ||||||||
= 11300 
1260
Контрольные вопросы
1. Какие явления относятся к явлениям переноса? Почему они объединены одним названием?
2. Что называется вязкостью?
3. Как возникают силы внутреннего трения и как они направлены?
4. Каков физический смысл коэффициента вязкости и единица его измерения в СИ?
5. Записать коэффициент вязкости через микроскопические характеристики и по этой формуле проверить его единицу измерения в СИ.
6. В чем состоит метод Стокса по определению вязкости жидкости?
7. Во сколько раз будут отличаться скорости равномерного падения двух шариков из одного материала, у которых радиусы отличаются вдвое (
)?
Лабораторная работа № 2
