Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Вязкость газов (внутреннее трение) — явления переноса — молекулярная физика и термодинамика — физика — учебник для студентов естественных факультетов университетов и педагогических институтов

Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 5 ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА

5.6. Вязкость газов (внутреннее трение)

Вязкость газов — это свойство
газов (и жидкостей), благодаря которому выравниваются скорости различных слоев газа.
Скорости соседних слоев газа, если они разные, выравниваются том, что из слоя газа
с большей скоростью движения переносится импульс (количество движения) до слоя, который
движется с меньшей скоростью.

Если внешними силами поддерживается
стала разница скоростей движения различных слоев газа, то и поток импульса от слоя
к слою будет устойчивым (стационарным), причем этот поток будет направляться вдоль
падение скорости.

Известно, что в случае протечки газа
вдоль трубы скорости различных слоев распределены так, как это показано на рис.
5.5, где стрелки составляют векторы скорости газа. Наибольшую скорость имеют
слои в средней части, которые прилегают к оси трубы, с приближением к стенкам
скорость уменьшается, а слой, который непосредственно прилегает к стенкам трубы,
находится в состоянии покоя.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 5.5

За такого течения импульс передается
от центрального слоя газа, где скорость наибольшая, слоев, движущихся с
меньшей скоростью. Поскольку этот процесс связан с изменением количества движения
mυ, то газ ведет себя так, словно бы на
него действует некоторая сила (сила внутреннего трения).

Рассмотрим случай, когда скорость
движения газа изменяется в направлении оси х, который в этом случае перпендикулярен к
направления самой скорости движения газа (рис. 5.6).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 5.6

В направлении, перпендикулярном к оси
х, скорость движения во всех точках одинакова. Это означает, что скорость
υявляется функцией только координаты х. Тогда, как показывает
опыт, изменение количества движения р, что передается через площадку, перпендикулярную
к оси х, определяют уравнением

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — градиент скорости вдоль оси х, который характеризует
изменение скорости вдоль этой оси на единицу длины. Знак минус в (5.19)
означает, что импульс передается в направлении,

противоположномКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости.

Коэффициент η называют коэффициентом вязкости,
или коэффициентом внутреннего трения газа, который так же, как и коэффициенты диффузии
и теплопроводности, зависит от свойств газа. Иногда коэффициент
η, который определяется уравнением
(5.19), называют коэффициентом динамической вязкости, в отличие от коэффициента
кинематической вязкости, равный отношению
η/ρ, где ρ
— плотность газа.

Физический смысл коэффициента вязкости
заключается в том, что он численно равен количеству движения, которая переносится по
единицу времени (1 с) через 1 см2 площадки, когда градиент скорости (в
направлении, перпендикулярном к площадке) равен единице.

За единицу вязкости в СИ принимают
коэффициент вязкости такого вещества (газа), в которой при градиенте скорости,
равен единице, через 1 м2 площадки переносится количество движения 1
кг
м/с за 1 с. Следовательно, коэффициент
вязкости выражается в килограммах на метр-секунду [кг/(м
с)]. В системе единиц СГС
коэффициент вязкости выражается в граммах на
сантиметр-секунду [г/(см с)]. Эту единицу называют пуаз.
Единицей измерения коэффициента кинематической вязкости соответственно квадратный метр
на секунду (м2/с) и квадратный сантиметр в секунду (см2/с).
Эту единицу называют стокс.

При переносе импульса от слоя к
слоя изменяется импульс этих слоев (увеличивается или уменьшается). Это означает,
что на каждый шар действует сила, равная изменению импульса за единицу времени и через
единичную площадку (второй закон Ньютона). Следовательно, вязкость приводит к тому, что
на любой слой газа, движущегося относительно соседнего, действует некоторая сила.

Эта сила является силой трения между слоями
газа, которые движутся с разными скоростями. Отсюда и происходит название внутреннее
трение. Поэтому уравнение (5.19) можно записать в таком виде:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где
F— сила, действующая на единицу площади
поверхности, разделяющей два соседних слоя газа. Коэффициент вязкости численно
равна силе, которая действует на единицу плоскости при градиенте скорости, равном
единицы.

Внутреннее трение является причиной того, что
для протекания газа (или жидкости) через трубу требуется некоторая разность давлений.
Она должна быть тем больше, чем больше коэффициент внутреннего трения
η.

Зависимость между объемом газа V, что
протекает за единицу времени (1 с) через сечение трубы, и определенной разностью давлений
Δр описывают формулой Пуазейля:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где
l — длина трубы; R — ее радиус.

Определив объем газа, который протекает
за некоторый промежуток времени через трубу, разность давлений на ее концах и зная
геометрические размеры трубы, по формуле (5.21) можно определить коэффициент вязкости
газа.

Однако для такого опыта не пригодна
любая труба, поскольку для измерения вязкости нужно, чтобы течение газа
была ламинарным. Это обусловлено тем, что при определенных значениях скорости течения,
зависят от свойств газа и радиуса трубы, в газе начинают появляться
вихри, нарушают ламінарність течения. Для такой вихревой, или турбулентной,
течения формула Пуазейля не справедливая. Чем меньше сечение трубы, тем больше
скорость нужна для возникновения вихрей. Чтобы при обычных скоростей течения
вихри не появлялись, труба должна быть очень тонкой, или капиллярной.

Метод измерения коэффициента
вязкости, основанный на использовании формулы Пуазейля, часто называют
капиллярным методом, а соответствующие приборы — капиллярными вискозиметрами. Для
течения в цилиндрической трубе (капилляре) переход к турбулентному движению происходит,
когда безразмерная величина
Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости становится больше, чем некоторое критическое
значения, порядка 1000. Здесь
ρ — плотность газа; Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — средняя скорость течения; r — радиус трубы; η — вязкость газа. Эта величина
называется числом
Рейнольдса
(отсюда и обозначение Rе). Если число Рейнольдса меньше критического значения, то
движение ламинарный, а если превышает его — турбулентный. Подробнее этот метод
рассмотрены в подразделе 3.3.

Определение коэффициента внутреннего трения жидкости

Жидкость также как и газ обладает свойством перемещаться из области большого давления в область меньшего давления. Такое перемещение называется течением жидкости. Различают два вида течения жидкости: лиминарное (слоистое) и тербулентное (вихревое). Ламинирным течением называют течение, при котором слои жидкости скользят друг по другу. Оно происходит при небольших скоростях движения в трубках с относительно гладкими стенками, без резких изменения площади сечения или направления, а также при отсутствии множественных разветвлений. Турбулентным называется такое течение, при котором слои жидкости перемешиваются. Оно возникает при резких сужениях сечения трубки, при значительной шероховатости поверхности стенок трубы, а также в местах множественного разветвления русла или трубы, по которой течет жидкость.

Течение жидкости при небольших скоростях носит ламинарный характер вследствие сил взаимного притяжения между молекулами жидкости, а также между молекулами жидкости и твердых тел, с которыми жидкость соприкасается в процессе течения.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Ламинарное течение жидкости можно изобразить в виде параллельно перемещающихся слоев, распределены так, как это показано на рисунке 1, где стрелки представляют векторы скорости движения жидкости. Наибольшая скорость наблюдаются в средней, прилегающей к оси части трубы; по мере приближения к стенкам скорость уменьшается, а слой, непосредственно, прилегающий к стенкам трубы, покоится. Таким образом, вся масса текущей жидкости разделена по слоям, движущихся с различными скоростями, между которыми действуют силы внутреннего трения, препятствующие перемещению одного слоя относительно другого. Величина силы внутреннего трения зависит от градиента скорости и площади соприкосновения слоев и выражается Формулой:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

где F – сила внутреннего трения.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — коэффициент внутреннего трения (коэффициент вязкости),

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — градиент скорости, т. е. отношение изменение скорости к расстоянию, на котором оно осуществляются, взятом в направлении наибольшего возрастания скорости;

ΔS – площадь сопротивления слоев.

Формула (1) представляет собой закон Ньютона для вязкости: сила внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости, площади соприкосновения слоев и направлена против движения жидкости.

Коэффициент внутреннего трения является важной характеристикой жидкости. В зоотехнии и ветеринарии изучают вязкость молока, крови, меда, и т. п. как показатель состояния здоровья животного, качества продукции. Из формулы (1) следует физический смысл коэффициента внутреннего трения: коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения, действующей между слоями единичной площади при градиенте скорости, равному единице. Коэффициент внутреннего трения зависит от природы жидкости и ее температуры. С повышением температуры коэффициент внутреннего трения уменьшается, т. к. увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, уменьшаются силы взаимного притяжения между ними.

В системе СИ коэффициент вязкости измеряется в Н*с/м2 = Па*с = кг/м*с, а в системе СГС в г/см*с. Последняя система единиц называется пуаз.

Изучая ламинарное течение жидкости, французский физик и физиолог Пуазейль в 1841 г установил закон, согласно которому средняя скорость ламинарного течения жидкости по трубе пропорциональна градиенту давления жидкости, квадрату радиуса трубы и обратно пропорциональна коэффициенту внутреннего трения жидкости:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -скорость ламинарного течения жидкости;

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -градиент давления;

r- радиус трубы;

ή-коэффициент внутреннего трения.

Знак минус в формуле (2) показывает, что скорость течения жидкости направлена противоположно градиенту давления.

Из закона Паузелия (2) можно получить формулу для определения объема жидкости, протекшей по трубе за некоторый промежуток времени t :

V= Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где r-радиус трубы;

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -длина трубы

t-время течения жидкости по трубе;

ή-коэффициент внутреннего трения;

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости разность давлений на концах трубы;

V-объем жидкости, протекшей по трубе завремя.

Формула (3) лежит в основе метода определения коэффициента внутреннего трения с помощью капиллярного вискозиметра.

ЗАДАНИЕ I: определение коэффициента внутреннего трения жидкости капиллярным вискозиметром.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ : капиллярный вискозиметр, исследуемая жидкость дистиллированная вода, термометр, резиновая груша.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙУСТАНОВКИ.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Капиллярный вискозиметр представляет собой U-образную стеклянную трубку рис.2, широкое колено, которой имеет внизу шарообразное расширение А. Капиллярная часть вискозиметра К имеет в своей верхней части шарик Б, переходящий затем в широкую трубку В. Шарик Б имеет метки М и Н, которые ограничивают определенный объем исследуемой жидкости. С помощью пипетки через широкое колено заполняют вискозиметр исследуемой жидкостью так, чтобы заполнился шарик А. С помощью груши через трубку В всасывают воздух так, чтобы уровень жидкости в вискозиметре Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости поднялся выше метки М. Затем груша снимается с трубки В и жидкость в вискозиметре начнет под действием собственного веса опускаться по капилляру К. Секундомером определяют время t, в течение которого столб жидкости опустится от метки М до метки Н, т. е. время в течение которого по капилляру К протекает жидкость объемом, равным объему шарика Б.

Так как жидкость течет по капилляру под действием собственного веса, то разность давлений на концах капилляра будет равна гидростатическому давлению:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где ρ -плотность жидкости,

g -ускорение силы тяжести,

h -высота столба жидкости.

Учитывая это, формулу (3) можно записать в виде :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Из формулы (4) видно, что для определения коэффициента внутреннего трения η надо знать время течения жидкости по капилляру, радиус и длину капилляра, плотность жидкости, высоту поднятия ее в капилляре, а также объем протекшей жидкости.

Чтобы не делать таких затруднительных измерений, применяют метод сравнения. Для этого вначале проделывают опыт с дистиллированной водой, а затем с исследуемой жидкостью.

Запишем формулу (4) для дистиллированной воды и исследуемой жидкости:

-для воды:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

-для исследуемой жидкости:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -плотность дистиллированной воды,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -плотность исследуемой жидкости,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -коэффициент внутреннего трения воды,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -коэффициент внутреннего трения жидкости,

t0 время протекания через капилляр воды,

tx -время протекания через капилляр жидкости.

В формулах (5) и (6) левые части равны, следовательно, равны и правые части:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Тогда получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Формула (7) является расчетной для определения коэффициента внутреннего трения капиллярным вискозиметром.

Для поддержания постоянной температуры исследуемой жидкости во время эксперимента вискозиметр опускают в сосуд с водой С.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Чистый вискозиметр ополосните дистиллированной водой, а затем налейте в него дистиллированную воду так, чтобы заполнился нижний шарик А. Погрузите вискозиметр в сосуд с водой.

2.Осторожно с помощью резиновой груши засосите воду в верхний шарик Б чуть выше метки М.

3.Уберите резиновую грушу и секундомером определите время t, в течении которого мениск воды пройдет расстояние от метки М до метки Н.

4.опыт проделайте 3-5 раз и вычислите среднее значение времени течения воды tоср.

5.Вылейте воду из вискозиметра и ополосните его исследуемой жидкостью.

6.Залейте в вискозиметр исследуемую жидкость до того же уровня, что и воду.

7.Так же, как и для дистиллированной воды, определите время tx течения жидкости от метки М до метки Н.

8.Опыт повторите 3-5 раз и вычислите среднее значение времени течения жидкости t x ср.

9.Измерьте температуру воды в сосуде С.

10.Выпишете из таблиц значения плотности воды ρ, плотности исследуемой жидкости ρx и коэффициента внутреннего трения воды Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , соответствующие температуре воды в сосуде С.

11.Вычислите коэффициент внутреннего трения жидкости по формуле (7), подставляя средние значения txср и t0ср.

12.Расчитайте абсолютные ошибки измерений времени Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

13.Вычислите относительную ошибку измерений коэффициента внутреннего трения жидкости по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

14.Вычислите абсолютную ошибку коэффициента внутреннего трения по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

15.Данные измерений занесите в таблицу 1 и 2:

Таблица 1.

Постоянные величины

Температура жидкости
t, oC
Концентрация раствора
С, %
Плотность воды
ρо,г/см3
Плотность жидкости
ρх г/см3
Вязкость воды
η пуаз
         

Таблица 2

Результаты измерений

№№ t, с tx, с Δt, с Δ tx, с ηx пуазx,% Δηx,пуаз
1.              
2.        
3.        
Средн.              

16.Сделайте выводы.

ЗАДАНИЕ 2: Определение коэффициента внутреннего трения жидкости методом падающего шарика (метод Стокса).

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: цилиндр с исследуемой жидкостью, набор шариков, секундомер, термометр.

ОПИСАНИЕ ЭКСПРИМЕНТАЛЬОЙ УСТАНОВКИ.

Всякая реальная жидкость обладает вязкостью и поэтому тело, движущееся в жидкости, испытывает на себе силы сопротивления со стороны жидкости. Подчеркнем, что здесь играет роль не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга, так как при соприкосновении твердого тела с жидкостью, к поверхности тела тотчас же прилипают молекулы жидкости, образуя молекулярный слой жидкости, обволакивающий тело. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к телу, будет двигаться со скоростью тела и увлекать за собой соседние слои жидкости, которые тоже начнут двигаться. Таким образом, при небольших скоростях движения тела в жидкости будет происходить ламинарное течение жидкости в направлении траектории движения тела.

Английский физик Стокс установил закон: для тела шарообразной формы, движущегося с небольшой скоростью в жидкости, сила сопротивления F пропорциональна коэффициенту внутреннего трения η, радиусу шара r и скорости движения шара ν:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

В данной работе для определения коэффициента внутреннего трения жидкости используется стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью(рис.3).На стекле цилиндра нанесены две метки: метка начала отсчета времени падения шарика(1) и окончания(2).

Рассмотрим падение шарика вязкой покоящейся жидкости. На шарик действуют три силы: сила тяжести

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

сила сопротивления (сила Стокса)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 6πrηυ

Выталкивающая сила (по закону Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости).

F1 = 4/3πr2 ρg

где ρ – плотность вещества,

r – его радиус.

g – ускорение силы тяжести,

η – коэффициент внутреннего трения жидкости,

υ – скорость падения шарика,

ρ1 – плотность жидкости,

Направления этих сил указаны на рисунке 3.

В процессе движения шарика силы ρ и F1 не изменятся, а сила сопротивления F будет увеличиваться по мере увеличения скорости движения шарика (вначале шарик движется ускоренно. Наступит такой момент, когда силы F1 и F уравновесят силу тяжести, и тогда шарик будет двигаться равномерно. Следовательно, при условии:

Р = F1 F

шарик падает с постоянной скоростью, которую можно определить, зная пройденный путь и время:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Учитывая (9, 10, 11), и равенство (12) можно записать в виде:

4/3 πr3ρg = 4/3 πr3ρ1g 6πrηυ.

Отсюда после преобразования (учитывая формулу (13)) получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Заметим, что все наши рассуждения верны лишь в том случае, если шарик падает в безгранично простирающейся жидкости, что практически осуществить невозможно, так как жидкость всегда находится в сосуде, имеющем стенки. Однако, если размеры сосуда значительно превышают размеры шарика, то формулу (14) можно считать верной. В противном случае следует внести в формулу поправку, учитывающую радиус сосуда, в котором налита жидкость; для цилиндрического сосуда с учетом его радиуса расчетная формула примет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Вопрос о том, какой формулой пользоваться, решается в зависимости от величины отношения r/R. Если оно меньше чем 0,05, то берут формулу (14), а если больше, то (15).

§

1. С помощью микрометра измерьте диаметр шарика и определите его радиус. Измерения проводите три раза и вычислите среднее значение.

2. Опустите шарик в цилиндр с исследуемой жидкостью и с помощью секундомера измерьте время, в течении которого шарик пройдет расстояние от одной метки на цилиндре до другой (см. рис.3). Время падения шарика определите три раза и вычислите среднее значение tср.

3. Линейкой измерьте пройденный шариком путь ℓ.

4. Выпишите из таблицы значения плотности шарика и плотность жидкости ρ.

5. Измерьте диаметр цилиндра и вычислите его радиус R и оцените отношение r/R.

6. Вычислите коэффициент внутреннего трения по соответствующей формуле.

7. Рассчитайте ошибки измерений.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиПримечания: относительную ошибку измерений коэффициента внутреннего трения вычисляется по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

8.Данные измерений и вычислений занесите в таблицы 3 и 4.

Таблица 3

Постоянные величины

ρ, г/см3 ρ1, г/см3 R, см r, см r/R
         

Таблица 4

Результаты эксперимента

№№ r, см Δr, см t, с Δt, с ℓ, см Δℓ, см η, пуаз Еη, % Δη, поуз
1.                  
2.        
3.        
Сред.                  

9.Сделайте выводы.

ЗАДАНИЕ 3. Определение коэффициента внутреннего трения жидкости гемовискозиметром капиллярным ВК-4.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: гемовискозиметр капиллярный ВК — 4, исследуемая жидкость, дистиллированная вода, аммиак водный 25%, спирт.

Градуированные пипетки спаянные из трех отдельных капилляров, имеют цифровые отметки 0, ½, ¾, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, причем расстояние между отметками 1, 2….10 разделено на 10 равных частей. На подставке укреплен кран 3, соединенный с правой пипеткой при помощи резиновой трубки 4 и через стеклянный тройник 5 и резиновые трубки 6, 7, 8 с наконечником 9и левой пипеткой. Наконечник служит для отсасывания ртом воздуха из прибора и создания, таким образом, необходимого вакуума в пипетках. Кран служит для перекрытия пипетки, в которую набирается дистиллированная вода (см. рис. 4).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

§

2.1. До начала работы по определению вязкости крови, градуированные пипетки должны быть предварительно очищены аммиаком водным, промыты спиртом и просушены. От чистоты каналов пипеток зависит беспрепятственное, без посторонних задержек продвижение жидкостей в капиллярах и, следовательно, правильность показаний прибора при определении вязкости крови.

3.2. Для лучшей герметичности и плавности работы кран должен быть смазан вазелином: для разборки крана необходимо снять резиновое кольцо на конце пробки и после смазки притертых поверхностей вазелином одеть его на пробку.

3.3. В процессе промывки пипеток путем поочередного втягивания в них аммиака водного необходимо следить за тем, чтобы они не попали в резиновые трубки и капилляры уравнительные, т. к. удаление аммиака водного и спирта затруднительно и может привести к ошибочным показаниям прибора.

3.4. После промывки и просушки прибора необходимо убедиться в тщательности его очистки и правильности его показаний.

3.4.1. Для этой цели в правую пипетку, открыв кран, втягивают дистиллированную воду до отметки «0», при этом наблюдают чтобы в столбе воды не было пузырьков воздуха и чтобы вода находилась на всем протяжении от отметки «0» до конца пипетки. Затем, перекрыв кран, втягивают дистиллированную воду в левую пипетку до отметки «0».

После этого, повернув пробку крана на соединение правой пипетки с тройником, энергично, но осторожно втягивают ртом воздух из обеих пипеток, создавая таким образом вакуум во всей системе, отчего столбики жидкости в обеих пипетках будет двигаться вперед.

3.4.2. Если оба столбика воды в пипетках одновременно заняли положение отметки «5», то прибор считается тщательно очищенным, омытым и осушенным, и показания его при работе будут верными. Допускаемое отклонение показаний при этой проверке может быть ±2 малых деления шкалы.

3.5. После проверки по п. 3.4. пипетки следует вновь промыть спиртом и просушить. Перед производством анализа необходимо провести просушку всей системы путем интенсивного и продолжительного продувания прибора воздухом при помощи резиновой груши или насоса.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

4.1. Проведение анализа.

4.1.1. Убедившись в тщательности очистки и просушки прибора приступают к анализу.

4.1.2. Кран открывают так, чтобы отверстие пробки крана было в одной оси с правой пипеткой и, вставив свободный конец пипетки во флакон с дистиллированной водой, втягивают воду до отметки “О”, всасывая ртом воздух через стеклянный наконечник резиновой трубки.

4.1.3. Убедившись, что вода полностью заполнила пипетку до отметки «0», осторожно закройте кран.

4.1.4. Температура окружающей среды при производстве анализа вязкости крови должна быть 20 ± 3оС.

4.1.5. Руку или палец больного перед уколом необходимо предварительно подержать в воде с температурой 38 ± 2оС и сильно растереть. Кровь должна вытекать из места укола без всякого давления на палец.

4.1.6. Быстро, чтобы выступающая из пальца кровь как можно меньше соприкасалась с воздухом, поднося прибор концом левой пипетки к капле крови на пальце и, держа стеклянный наконечник во рту, энергично втягивают кровь до отметки «0», наблюдая при этом, чтобы кровь полностью, без пузырьков заполнила пипетку от конца до отметки»0». Особое внимание обратить на точную установку столба крови у отметки «0», так как вязкость воды, и точность положения крови у отметки «0» будет влиять на точность результатов по определению вязкости крови.

4.1.7. Убедившись, что кровь точно дошла до отметки «0», отнимают прибор от пальца больного, ставят прибор на стол, поворачивают пробку крана, соединяя правую пипетку с тройником и энергично, но осторожно втягивают ртом воздух из обеих пипеток, отчего столбики крови и дистиллированной воды будут продвигаться вдоль пипеток вперед с разными скоростями. При подходе столбика крови до отметки «1» прекратить дальнейшее втягивание воздуха.

4.2. Измерение.

4.2.1.Так как дистиллированная вода имеет вязкость значительно меньшую, чем кровь, то за время продвижения крови до отметки «1», вода пройдет гораздо больший путь по своей пипетке.

4.2.2. Принимая вязкость дистиллированной воды за единицу, методом сравнения вязкости крови с вязкостью воды, можно определить вязкость крови в относительных единицах.

4.2.3.Так как пути, пройденные кровью и дистиллированной водой в своих пипетках, имеющих равное сечение и при одинаковых условиях обратно пропорциональны вязкости этих жидкостей, то отклонение величины столбика воды к величине столбика крови будет характеризовать вязкость крови.

4.2.4.Но, так как кровь была втянута только до отметки «1», то отношение величины столбика воды к величине столбика крови будет равно самой величине столбика воды. Эта величина будет характеризовать вязкость крови в относительных единицах.

4.2.5.В тех случаях, когда испытуемая кровь весьма вязкая и продвигается по пипетке очень медленно, а вода за это время заполняет всю пипетку, кровь втягивается не до отметки «0», а до отметки «3/4» или «1/2» и тогда величину столба воды делят на числитель и умножают на знаменатель.

4.3. Вычисление. Примеры.

4.3.1.Кровь втянута до отметки «1», а дистиллированная вода прошла за это время путь от отметки «0» до отметки «4,7». Следовательно, вязкость крови равна 4,7.

4.3.2.Кровь втянута до отметки «3/4», а дистиллированная вода прошла за это время путь до отметки «9,6». Тогда вязкость крови равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

§

Жидкости, как газы и твердые тела, состоят из мельчайших частиц – молекул, между которыми действуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Силы молекулярного взаимодействия быстро убывают с увеличением расстояния от молекулы и уже на расстоянии R, равном 10-7см, практически не проявляются (радиус самих молекул r = 0,5*10-7см).

Расстояние R, называется радиусом молекулярного действия, а сферу радиусом R – сферой молекулярного действия.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, испытывает одинаковое взаимодействие со стороны молекул, окружающих ее со всех сторон. Равнодействующая молекулярных сил, действующих на нее, будет равна нулю. Если же молекула расположена на поверхности жидкости, то равновесие нарушается: притяжение со стороны молекул, лежащих внутри жидкости больше и равнодействующая молекулярных сил направлена внутрь жидкости F1,2 . (рис 1).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Молекулярные силы, действующие на все частицы, лежащие в тонком поверхностном слое, толщина которого равна радиусу сферы действия молекулы, складываясь между собой, оказывают на поверхность жидкости некоторое давление, которое называют молекулярным давлением. Все молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, подвержены действию этих сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости.

Таким образом, под действием молекулярных сил, направленных внутрь жидкости, поверхностный слой жидкости находится в особом, напряженном состоянии, напоминая собой напряжение растянутой пленки, стремящейся сократиться.

Чтобы переместить молекулу из глубины на поверхность жидкости, надо совершить работу против результирующей силы молекул в поверхностном слое. В результате молекулы на поверхности жидкости обладают определенной потенциальной энергией, называемой свободной поверхностной энергией. Если на жидкость не действуют внешние силы, то значение свободной поверхностной энергии оказывается минимальным; при этом минимальна и площадь и самой поверхности. Капли жидкости в невесомости имеют форму шариков (минимальная площадь поверхности). В земных условиях действует сила тяжести, которая пытается сдавить каплю, в результате чего она принимает форму эллипса.

Работа, которую нужно совершить для увеличения свободной поверхности жидкости будет равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где α – коэффициент поверхностного натяжения.

По своему физическому смыслу α является работой, которую надо затратить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу при сохранении ее объема неизменным. Коэффициент поверхностного натяжения α измеряется в системе СИ в Дж/м2.

Для того, чтобы поверхностную пленку удержать в равновесии, нужна определенная сила F, приложенная касательно к поверхности жидкости. Она будет тем больше, чем больше длина ℓ, ограничивающей поверхности пленки:

F = α *ℓ (1)

где α – коэффициент поверхностного натяжения.

Из формулы (1) следует, что

α = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости. Из (2) видно, что α измеряется в Н/м. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок 10-2— 10-1Н/м; для воды он равен 0,073 Н/м, а для ртути 0,54 Н/м. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается в связи с увеличением среднего расстояния между молекулами жидкости.

Когда жидкость налита в сосуд, то между молекулами стенок сосуда и молекулами поверхности жидкости действуют силы притяжения Fα (адгезии, т. е. силы прилипания молекул двух различных тел, вызванные взаимным притяжением), Fк они приводят к возникновению краевого угла θ между стенками сосуда и поверхностью жидкости. Равнодействующая сил когезии и адгезии Fα и Fк всегда перпендикулярна поверхности жидкости (рис. 2).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Из рис. 2 видно, что равнодействующая этих сил F может иметь различное направление, в результате чего поверхность жидкости может быть вогнутой, выпуклой или горизонтальной. Если жидкость смачивает стенки, то силы когезии Fк меньше, чем силы адгезии Fα; результирующая сила направлена из жидкости. В этом случае поверхность имеет вогнутую форму.

В не смачивающей жидкости, по аналогичным соображениям поверхность жидкости примет выпуклую форму.

Если Fα = Fк, то поверхность жидкости горизонтальна.

Под искривленной поверхностью жидкости, помимо внутреннего давления Р., создается еще дополнительное давление ΔР, обусловленное кривизной поверхности (рис. 3). Это добавочное давление всегда направлено к центру кривизны поверхности. Если жидкость имеет выпуклую поверхность, то добавочное давление направлено вовнутрь жидкости и общее давление в жидкости в этом случае будет больше, чем под горизонтальной поверхностью.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

Если поверхность жидкости имеет вогнутую форму, то добавочное давление направлено к центру кривизны, находящемуся вне жидкости, и общее давление здесь меньше, чем под горизонтальной поверхностью.

Добавочное давление для сферической поверхности определяется по формуле Лапласа:

ΔР = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

где ΔР – добавочное давление,

α – коэффициент поверхностного натяжение,

r – радиус кривизны поверхности жидкости.

1. Описание экспериментальной установки

В данной работе определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости используется метод отрыва капель.

Испытуемая жидкость медленно по каплям вытекает из узкого отверстия тонкой стеклянной трубки (бюретки), установленной вертикально на штативе. Поверхностная пленка, образующаяся в отверстии, оказывает сопротивление вытеканию жидкости. Под давлением вышележащих слоев жидкости пленка растягивается, и жидкость собирается в каплю на конце трубки (рис.4).

На каплю действует сила тяжести P=mg , направленная вертикально вниз, и сила поверхностного натяжения F , действующая вверх. Пока капля удерживается на конце отверстия, сила Fбольше по величине, чем сила тяжести P. Так как жидкость вытекает из трубки, то капля будет увеличиваться в размере, и сила тяжести будет возрастать. Наступит такой момент, когда сила будет находиться в покле. Но как только Р. незначительно превысит силу поверхностного натяжения F, капля оторвется и упадет.

Пир вычислении считаем, что момент отрыва Р. = F, а силу поверхностного натяжения F можем определить по формуле (1):

F= α ℓ

где ℓ — длина контура, по которому разрывается поверхностный слой жидкости,

а он равен длине окружности в месте перетяжки (рис. 4).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

Если радиус перетяжки обозначить через r, то ℓ=2πr и тогда запишем:

mg = α2πr

Тогда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

Эта формула является расчетной для α.

2. Порядок выполнения работы.

1. Взвесьте на технических весах чистый сухой стаканчик и определите его массу m1.

2. Налейте в бюретку исследуемую жидкость.

3. Подставьте под бюретку второй стакан и отрегулируйте кран так, чтобы жидкость вытекала каплями (примерно 30 капель в минуту). Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

4. Подставьте под бюретку взвешенный стаканчик: наберите в него n капель исследуемой жидкости (число капель задается преподавателем).

5. Определите массу стаканчика с каплями m2.

6. Вычислите массу одной капли по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

7. Опыт повторите 3 раза и найдите среднее значение массы одной капли m.

8. Вычислите коэффициент поверхностного натяжения по формуле (3) (радиус перетяжки написан на бюретке).

9. Рассчитайте ошибки измерений по формулам :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

10.Данные измерений и вычислений занесите в таблицу I:

Таблица 1

Результаты эксперимента

11. Запишите ответ в виде:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

12.Сделайте выводы.

§

Теплоемкостью какого-либо тела Ст называется физическая величина,

численно равная количеству теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы повысить его температуру на один градус:

Ст = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью и обозначается Суд.

Теплоемкость моля вещества называется молярной теплоемкостью и обозначается С.

Удельная и молярная теплоемкости связаны между собой соотношением:

Для газов удельная теплоемкость (а также молярная) существенно зависит Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости от условий, при которых производится нагревание газа. Если нагревание происходит при постоянном давлении, то все подводимое количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и работу по расширению газа. При нагревании газа при постоянном объеме работа по расширению газа не совершается и поэтому требуется меньшее количество теплоты. Поэтому для газов следует различать две удельные (а значит и молярные) теплоемкости –

при постоянном давлении Ср и при постоянном объеме Су.

Молярная теплоемкость газа при постоянном объеме газа равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где i-число степеней свободы молекул газа,

R-универсальная газовая постоянная.

Молярная теплоемкость газа при постоянном давлении равна:

Ср.= Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Отношение молярных теплоемкостей Ср/ Су. Обозначается γ и равно:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Из формулы видно, что γ зависит только от числа степеней свободы молекул газа. Напомним, что числом степеней свободы называется число независимых координат определяющих положение тела в пространстве. Для одноатомной молекулы число степеней свободы равно 3, для двухатомной – 5, для трехатомной молекулы – 6.

Отношение теплоемкости газа γ является важной характеристикой. Оно входит в уравнение Пуассона, описывающее адиабатические процессы.

Адиабатическими процессами называются такие процессы, при которых не происходит теплообмена газа, с окружающей средой. Очень быстро протекающие процессы, при которых не происходит теплообмена газа с окружающей его средой являются адиабатическими. По понятным соображениям, очень быстро протекающие процессы сжатия или расширения газа являются адиабатическими. Адиабатические расширения или сжатия газа сопровождаются изменением его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

При адиабатическом сжатии температура газа повышается, а при адиабатическом расширении-понижается.

Уравнение Пуассона можно записать через любую пару переменных: pV, T, PТ: Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

TV Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка (рис.1) состоит из стеклянного баллона Б, закрытого пробкой. В пробку вставлен стеклянный четверник, с помощью которого баллон соединен с манометром М, насосом Н и атмосферой (кран К). В шланг, соединяющий баллон с насосом, вставлен кран П, служащий для прекращения выхода воздуха после накачивания его в баллон.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Рассмотрим ход опыта Клемана и Дезорма. Открыв кран П и закрыв кран К, насосом накачивают воздух в баллон, при этом воздух сжимается, а его температура и давление повышаются. Через некоторое время, благодаря теплопроводности стен баллона, воздух внутри него охладится до температуры окружающей среды, при этом в манометре установится некоторая разность уровней жидкости в правом и левом коленах. Обозначим разность уровней через разность h1. Она показывает, на сколько давление внутри баллона больше атмосферного.

Если обозначить атмосферное давление P, то давление внутри баллон будет равно P h1 (конечно P0 и h1 должны быть выражены в одних и тех же единицах).

Значит, первое состояние газа можно описать следующими параметрами:

P h1 – давление воздуха внутри баллона,

V1 – объем некоторой массы воздуха внутри баллона,

Т1 – температура воздуха внутри баллона, равная температуре окружающей среды.

Откроем кран К на время, пока давление в баллоне не станет атмосферным (P), при этом часть воздуха выйдет из баллона и в самом баллоне воздух расширится. Процесс расширения воздуха происходит достаточно быстро и его можно считать адиабатическим. Следовательно, газ совершат работу по расширению за счет уменьшения его внутренней энергии, а значит его температура понижается.

Тогда второе состояние газа можно описать параметрами:

P – Давление воздуха, равное атмосферному давлению,

V2 – объем газа,

Т2 – температура воздуха внутри баллона, ставшая меньше чем Т1.

Через некоторое время воздух внутри баллона нагревается до температуры окружающей среды, при этом его объем не изменяется, следовательно, увеличивается давление. В манометре установится некоторая разность уровней жидкости в правом и левом коленах.

Третье состояние газа можно описать следующими параметрами:

Р.о h2 – давление воздуха внутри баллона,

V2 – объем газа,

Т1 – температура газа.

Сравнивая первое и третье состояние газа, можно заменить, что температуры одинаковы, следовательно, можно применить закон Бойля – Мариотта: «Для данной массы газа при постоянной температуре давление газа изменяется обратно пропорционально объему»:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (1)

Переход газа из первого во второе состояние, как уже отмечалось, произошел адиабатически; следовательно, применим закон Пуассона в виде

PVγ = const:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (2)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Сопоставляя формулы (1) и (2), получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Прологарифмируем последнее выражение:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Из него найдем γ:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (3)

Так как давление Р, Р h1, Р h2 незначительно отличаются друг от друга, то в формуле (3) отношение разности логарифмов можно заменить отношением разность самих чисел Р, Р h1, Р h2. Тогда получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости . (4)

Формула (4) является расчетной для определения отношения теплоемкости.

§

§

Теплоемкость тела характеризуется количеством теплоты,необходимым для нагревание этого тела на один градус (Дж/град). Если для увеличения температуры тела на Т градусов необходимо сообщить ему ΔQ джоулей, то средняя теплоемкость тела в интервале ΔТ определяется как:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

Теплоемкость тела пропорциональна массе и зависит от вещества тела. Удельная теплоемкость Суд данного вещества (дерева, железа, воздуха и т. д.) характеризуется количеством тепла на один градус, и измеряется в Дж/кг град. Удельная теплоемкость.

Для газов удобно пользоваться молярной теплоемкостью (Смол или просто С), характеризующейся количеством теплоты, нужным для нагревания одного киломоля данного вещества на один градус.

Очевидно, что

Суд/Дж/кг*град/*μ/кг/кмоль/ = С /Дж/кмоль*град/.

Поскольку в 1 киломоле любого газа содержится одинаковое количество молекул, а средняя кинетическая энергия молекул не зависит от их массы, то можно ожидать, что молярные теплоемкости всех достаточно разреженных газов должны быть одинаковыми.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Теплоемкость тела существенно зависит от того, как меняются состояния тела в процессе нагревания. Рассмотрим для простоты идеальный одноатомный газ. Если мы будем нагревать газ, заключенный в замкнутом объеме, V = const (рис. 1, а), то все подводимое тепло ΔQ будет идти только на увеличение внутренней энергии газа. Тогда первое начало термодинамики при ΔA = 0 будет иметь вид: ΔQ = ΔU.

При этом температура газа будет возрастать в соответствии с увеличением его внутренней энергии, откуда следует, что температура идеального газа пропорциональна его внутренней энергии. Давление газа Р. также будет возрастать пропорционально температуре. Обозначим теплоемкость газа при постоянном объеме через С.

Если хотим, чтобы в процессе нагревания сохранилось давление, газу следует предоставить возможность расширяться. Для этого поместим газ в цилиндр с поршнем, на который действует постоянное давление Р. = const (рис. 1, б). Так как внутренняя энергия U идеального газа не зависит от его объема, то количество теплоты, необходимое для ее увеличения, останется тем же. Но при нагревании газа до той же температуры часть подводимого тепла расходуется теперь на работу против внешних сил при расширении газа. Следовательно, для нагревания газа до той же температуры, как и в предыдущем случае (V = const), придется затратить большее количество теплоты. Таким образом, теплоемкость ΔQ/ΔТ газа при постоянном давлении, которую мы обозначим через Ср., будет больше, чем СV.

Рассмотренный пример очень важен. Он показывает, что количество теплоты ΔQ, необходимое для нагревания газа на ΔТ градусов, существенно зависит от дополнительных условий – характера измерений других микроскопических параметров, определяющих состояние газа, т. е. Р. и V. Кроме рассмотренных процессов, характеризуемых простейшими дополнительными условиями V = const и Р. = const, можно рассмотреть и множество других, отвечающих различным изменениям V и Р. при нагревании. Каждому процессу будет отвечать своя теплоемкость С.

Величины Ср. и Сv для идеального газа оказывается связанными простым соотношением:

Ср. – Сv = R (2)

Это соотношение носит название закона Роберта Майера, полученного им в 1842 году.

Для идеального газа молярная теплоемкость при постоянном давлении превышают молярную теплоемкость при постоянном объеме на величину R т. е. на 8,31 кДж/кмоль град.

Универсальная газовая постоянная R численно равна работе расширения киломоля идеального газа при нагревании его на один градус при постоянном давлении.

Опыт показывает, что во всех случаях превращение механической энергии в тепловую и обратно совершается всегда в строго эквивалентных количествах. Поскольку тепловое движение есть в конечном счете, тоже механическое движение отдельных молекул (только не направленное, а хаотическое), то при всех этих превращениях должен соблюдаться закон сохранения энергии с учетом энергии не только внешних, но и внутренних движений. Такая общая формулировка этого закона носит название первого начала термодинамики и записывается в виде:

ΔQ = ΔU ΔA, т. е.

Количество теплоты, сообщенное телу (ΔQ), идет на увеличение внутренней энергии (ΔU) и на совершение теплом работы (ΔА).

Однако, если сосуд с расширяющим газом теплоизолировать от окружающей среды, то теплообмен будет отсутствовать, т. е. ΔQ = 0. Процесс, происходящий при таком условии, называется адиабатическим. Уравнение первого начала термодинамики для адиабатического процесса тогда примет вид:

ΔQ = 0 Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости 0 = ΔU ΔA или ΔА = — ΔU. (3)

Следовательно, при адиабатическом процессе работа совершается только за счет внутренней энергии газа. При адиабатическом расширении газ совершает работу, а его внутренняя энергия и, следовательно, температура падают. При адиабатическом сжатии работа газа отрицательная (внешняя среда производит работу над газом), внутренняя энергия и температура газа возрастают.

Сейчас читают:  Понятие динамической и кинематической вязкости - информация от компании Мегатехника

Теплоемкость при адиабатическом процессе будет равна 0, т. е.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Уравнение, описывающее адиабатический процесс имеет вид:

PVγ = const ; где γ = СРV. (4)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Так как СРV, то γ>1 и кривая, изображаемая уравнением (4), идет круче изотермы (рис. 2). Величина работы адиабатического процесса может быть особенно просто вычислена с помощью уравнения (3):

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Для одноатомного газа С Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости =12,5кДж/к моль град, Ср.v =20,8 кДж/к моль град и показатель степени адиабаты γ=СРv=1,67.

Для двухатомных газов при обычных температурах

g=29,1/20,8=1,4.

Для многоатомных газов γ еще ближе к единице.

В быстроходных двигателях внутреннего сгорания и при истечении газов через сопла реактивных двигателей процесс расширения газа протекает настолько быстро, что его можно считать практически адиабатическим и

рассчитывать по уравнению /4/.

Опыт также показывает, что для звуковых колебаний с минимальными частотами за время одного колебания /~0,1с/температура между сжатыми/ и тем самым разогретыми/ и разряженными /и тем самым охлажденными/ областями волны не успевает выравниваться. Практически процесс распространения звука можно считать адиабатическим, так что скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Отсюда легко найти Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (5)

Таким образом, определение γ сводится к измерению скорости звука и абсолютной температуры воздуха. В данной работе скорость звука определяется методом стоячих волн — методом Кундта.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3. Телефон т, получая электрический сигнал от генератора1, излучает звуковые волны в трубу 2. Достигнув микрофона М, звуковая волна преобразуется в напряжение, которое поступает на вертикально отклоняющие пластины У электронного осциллографа 3.Напряжение на горизонтально отклоняющие пластины X подается непосредственно с выходных клемм звукового генератора. Телефон жестко закреплен на левом конце трубы, а микрофон может свободно перемещаться внутри нее.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

Фазовый сдвиг сигнала, поступающего на пластины У, относительно сигнала, подведенного к пластинам X зависит от времени, которое тратит звук на прохождение расстояния между микрофоном и телефоном, может быть использована для определения длины волны λ. При включении установки на экране осциллографа должен быть виден эллис. Изменяя расстояние между микрофоном и телефоном, можно добиться превращения эллипса в прямую линию. Если теперь сместить микрофон на λ/2, то на экране вновь возникнет прямая линия, проходящая на этот раз через другие квадранты. При дальнейшем смещении прямая вновь переменит свое направление и т.д. Таким образом, при помощи фигур, получивших название фигур Лиссажу, можно непосредственно измерить длину звуковой волны в воздухе и по формуле Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости определить скорость звука, где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — частота генератора в Гц.

III.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Включите осциллограф и дайте ему прогреться в течение 10 минут.

2. Включите и настройте звуковой генератор на частоту Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости /частота задается преподавателем/.Установите напряжение на выходе генератора 1,5 В.

3. Установите указатель штока микрофона 5 в крайнее правое положение шкалы 4 /рис/, при этом на экране осциллографа появится фигура Лиссажу /эллипс или прямая линия/.

4. Перемещая шток с микрофоном в лево, зафиксируйте положение штока микрофона / Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости /, при которых эллипс превращается в четкую прямую линию, что соответствует узлам стоячей волны /отсчет производить в см по шкале 4/.

5. Вычислите разность между узловыми точками, которая является половиной длины волны Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

6. Вычислите длину волны Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и скорость звуковой волны по формуле Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

7. Определите термометром температуру окружающей среды.

8. Вычислите по формуле /5/.

9. Оцените погрешность измерений по формуле :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ; Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

10. Результаты измерений занесите в таблицу :

Таблица 1

Результаты эксперимента

11.Сделайте выводы.

§

Молекулярно- кинетическая теория строения вещества основана на трех положениях:

1. Все вещества состоят из отдельных частиц-молекул.

2. Между молекулами одновременно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания.

3. Молекулы находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения.

В газах молекулы находятся на значительно большем расстоянии друг от друга, чем в жидкостях и твердых телах, и сила взаимного притяжения очень мала. Совершая хаотические движения, молекулы газа сталкиваются друг с другом, при этом изменяется их скорость движения, как по направлению, так и по величине.

Следует отметить, что молекулы сталкиваются друг с другом не соприкасаясь, т.к. уже при сближении в 10-10м действуют значительные силы взаимного отталкивания.

То минимальное расстояние (между центрами молекул), на котором происходит столкновение, называется эффективным диаметром молекул. Путь, пройденный молекулой между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега молекул. Длина этого пути не одинакова, но благодаря большому числу молекул и беспорядочности их движения, можно говорить о средней длине свободного пробега молекул λ:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -средняя скорость молекул,

u- число столкновений.

Средняя длина свободного пробега зависит от плотности, давления и температуры газа. С увеличением плотности и давления газа средняя длина свободного пробега уменьшится, а с повышением температуры она возрастет. Длина свободного пробега является важной характеристикой состояния газа.

В данной работе длина свободного пробега определяется из формулы, связывающей длину свободного пробега λ с коэффициентом внутреннего трения η :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где η -коэффициент внутреннего трения.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -плотность газа,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -длина свободного пробега молекул,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -средняя арифметическая скорость молекул.

Из формулы (1) найдем:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Плотность газа можно найти из уравнения Менделеева-Клапейрона

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

откуда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где p-давление газа,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -молярная масса,

R -универсальная газовая постоянная,

T -температура.

Средняя арифметическая скорость, согласно молекулярно-кинетической теории, равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (4)

Коэффициент внутреннего трения найдем из формулы Пуазейля:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (5)

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости r – радиус трубки, по которой течет газ,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости l – длина трубки,

V – объем протекшего газа,

t — время течения данного объема газа по трубке,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости р – разность давлений на концах трубки.

Подставляя (3,4,5) в формулу (2) получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (6)

После преобразований формула (6) примет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (7)

Эта формула (7) и является расчетной для определения средней длины свободного пробега молекул газа.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА УСТАНОВКИ

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Лабораторная установка представляет собой делительную воронку А (рис.1), укрепленную на штативе. На воронку нанесена миллиметровая шкала В, на которой отмечается уровень воды в воронке. В воронку заливается дистиллированная вода на ¾ сосуда и закрывается пробкой, в которую вставлен капилляр L. Если открыть кран делительной воронки К, то вода будет выдавливаться под действием силы тяжести. Давление воздуха в сосуде станет меньше атмосферного и вода начнет вытекать не непрерывной струей, а отдельными порциями. Скорость вытекания воды сильно зависит от радиуса r. На концах капилляра создается разность давления Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости р., численно равная гидростатическому давлению столба жидкости в воронке:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — плотность воды, g – ускорение силы тяжести, hср – средний уровень воды в воронке.

Разность давления Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости будет заставлять воздух втекать в сосуд через капилляр. Через некоторый промежуток времени установится равномерное течение воздуха в капилляре, при котором объем воздуха, вошедшего через капилляр в воронку, будет равен объему вытекшей из воронки воды.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Залейте в делительную воронку, дистиллированную воду и плотно закройте пробкой с капилляром.

2. Подставьте под кран воронки химический стакан. Откройте кран и, когда вода начнет вытекать отдельными порциями, подставьте мерный стакан. Отметьте уровень воды в воронке h1 и включите секундомер.

3. Наберите в мерный стакан определенное количество воды (объем воды задается преподавателем), остановите секундомер и запишите время t, в течении которого вытекала вода, а, следовательно, и втекал воздух.

4. Отметьте уровень воды в воронке h2 .

5. Вычислите разность давлений по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

принимая Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 1000 г/м3, а g = 981 м/с2.

( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — есть средний уровень воды в воронке).

6. Снимите показания барометра и термометра, учитывая, что Т = t 273 и

1 мм рт.ст. = 1333 дин/см2.

7. Выпишите табличные данные для R = 8,31*107 эрг/К моль

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 3,14; Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости m = 0,029 г/моль

8.Вычислите длину свободного пробега молекул воздуха по формуле (7)

1. Данные измерения занесите в таблицу 1 и 2.

Таблица 1

Постоянные величины

Таблица 2

Результаты эксперимента

2. Сделайте выводы.

§

Закон сохранения энергии устанавливает взаимопревращаемость различных видов энергии, но не указывает направленность этих процессов. Все виды энергии можно перевести в теплоту, однако теплота может быть превращена в другие виды энергии только с помощью специальных машин. При этом часть теплоты обязательно теряется, т.е. невозможен механизм, который все получаемое от нагревателя количество теплоты целиком переводил бы работе, часть этого количества теплоты должна быть отдана холодильнику. Это одна из формулировок второго начала термодинамики.

Коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется выражением:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости где

Т1 – температура нагревателя;

Т2 – температура холодильника

Отсюда видно, что коэффициент полезного действия тепловой машины тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Практически невозможно превратить в работу огромное количество тепла, содержащееся в воде морей и океанов, так как разность температуры окружающих тел и воды незначительна.

Для оценки «качества» теплоты в этом отношении, а также для количественного учета обесценивания и рассеивания теплоты в термодинамике пользуются величиной, которая называется приведенной теплотой:

Qпр= Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

Т.е. это количество теплоты, приходящееся на один градус Кельвина.

Важной характеристикой является изменение приведенной теплоты при различных процессах. Если приведенная теплота возрастает, это значит, что возможности полезного использования теплоты уменьшилось и наоборот.

Однако в термодинамике чаше пользуются величиной, получившей название энтропии S , которая выражается через приведенные теплоты:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

т.е. разбивают весь процесс на достаточно малые участки и суммируют, считая, что температура в пределах каждого из этих участков постоянная. Тогда S1 и S2 – энтропия в начальном и конечном состояниях системы, а Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — теплоты, сообщаемое или отнимаемое от системы на элементарном участке.

Другая формулировка второго начала термодинамики следующая: энтропия термодинамических систем однозначная функция состояния этих систем.

Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Важнейшими функциями состояния системы являются внутренняя энергия U, энтропия S и свободная энергия F = U – T* Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости S , где T* Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости S – это часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в теплоту и называется связанной энергией.

Изменение энтропии можно подсчитать по следующей формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

По закону изменения энтропии системы в обратном процессе можно судить о направлении теплообмена (при нагревании тела возрастает, при охлаждении – убывает). При равновесных адиабатических процессах dQ = 0 и S не изменяется. При других процессах – изохорическом, изобарическом и изотермическом энтропии изменяется.

Так для изотермического процесса (Т = const ) :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

В неизолированных системах S всегда возрастает, и уравнение будет иметь вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Знак равенства относится к обратимым процессам (т.е. процессам, которые можно провести в обратном направлении через те же самые состояния), а знак неравенства – к необратимым. Все реальные процессы – необратимы.

Между энтропией и вероятностью состояния существует связь. Больцман установил ее в виде соотношения:

S = k*ln* Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где k – постоянная Больцмана,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — число различных способов, которыми может быть реализовано определенное состояние, называемое термодинамической вероятностью.

В соответствии с формулой Больцмана второе начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: «Во всякой изолированной системе происходит такие изменения, которые приводят систему к наиболее вероятному состоянию».

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

В данной работе рассматривается изменение энтропии при нагревании и плавлении нафталина. Так как нафталин является кристаллическим веществом, то он плавится при определенной температуре.

Количество теплоты, которое надо затратить, чтобы нагреть нафталин от комнатной температуры Тк до температуры плавления Тп определяется по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости С*m*d*T ,

где С – удельная теплоемкость нафталина (1222 Дж/кг*К)

m — масса нафталина.

Количество теплоты, необходимое для плавления нафталина при температуре плавления (Тп=const), равно:

Q2 = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости *m , где

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — удельная теплота плавления нафталина (2*105 Дж/кг).

Тогда приращение энтропии Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при плавлении нафталина можно подсчитать по формуле (1), подставив вместо Q его значение Q1 Q2 . Тогда получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Экспериментальная установка для определения (рис.1) состоит из пробирки нафталином 1, в которую помещен термометр 2. Пробирка опускается в стакан с водой 3, который ставится на электрическую плитку 4.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Соберите установку по схеме (рис. 1)

2. Включите плитку в сеть и следите за изменением температуры в пробирке.

3. Как только температура нафталина станет выше комнатной, снимите показания термометра через каждые 15 секунд до температуры нафталина 95-100С.

4. Выключите плитку из сети и освободите пробирку нафталином от сосуда с водой.

5. Снимите показания термометра через каждые 15 секунд в обратном порядке (при охлаждении нафталина).

6. Результаты измерений занесите в таблицу 1:

Таблица 1

7. Постройте график зависимости температуры нафталина от времени его нагрева и охлаждения и сделайте выводы.

8. Вычислите по формуле (2) приращение энтропии Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при нагревании и плавлении нафталина.

9. Сделайте выводы.

§

По своим электрическим свойствам все тела делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Те тела, в которых электрический заряд может свободно перемещаться по всему телу, называется проводниками электричества. Тела, в которых заряды не могут перемещаться из одной части в другую, называются изоляторами или диэлектриками.

Проводниками являются все металлы, а также электролиты и ионизированные газы. Такие вещества, как слюда, стекло, эбонит, фарфор, чистая вода являются диэлектриками.

Промежуточное положение занимают полупроводники, в которых перемещение зарядов в сильной степени зависит от внешних условий (особенно от температуры и от наличия в них примесей). К полупроводникам относятся сурьма, германий, кремний и др.

Проводники бывают двух родов. К проводникам первого рода относятся все металлы. Перемещающимися в них зарядами являются свободные электроны. При перемещении в них электронов в металле не происходит химических изменений.

К проводникам второго рода относятся растворы солей, кислот, щелочей. В них под действием электрического поля происходит перемещение положительных и отрицательных ионов. При этом в растворе и на электродах происходят химические превращения.

Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. За направление электрического тока условно принято направление движения положительного заряда. Количественной характеристикой электрического тока является скалярная величина, численно равна количеству электричества, проходящему через сечение проводника в единицу времени. Эта величина называется силой тока I. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

Электрический ток, сила и направление которого не меняется с течением времени, называется постоянным. Если же сила и направление тока меняется – ток называется переменным. Для того, чтобы по проводнику аб (рис. 1) протекал постоянный электрический ток, необходимо создать на его концах постоянную разность потенциалов

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Эта разность потенциалов называется напряжением и обозначается буквой U: Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Единицей измерения напряжения в системе СИ служит вольт. Немецкий физик Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где к – коэффициент пропорциональности, называемый проводимостью.

Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением. Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

В системе СИ сопротивление измеряется в Омах.

Учитывая /2/, формула /1/ имеет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Это соотношение выражает закон Ома для участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сопротивление металлического проводника зависит от его размеров и свойств металла, из которого изготовлен проводник:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , где

ℓ -длина проводника,

S -площадь его сопротивления,

ρ -удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2 /система СИ/.

Удельное сопротивление является важной характеристикой металла. В системе СИ оно измеряется в Ом м.

С повышением температуры металла усиливается интенсивность хаотического движения электронов и колебательного движения ионов металлической решетки, что приводит к увеличению сопротивления проводника. Зависимость сопротивления проводника от температуры выражается формулой:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , где

R -сопротивление проводника при 0С,

ά -температурный коэффициент сопротивления.

Для поддержания постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянное напряжение на ее концах. Для этого служит источник тока, внутри

которого происходит разделение положительных и отрицательных зарядов и перенос их на полюса источника тока. Силы, разделяющие заряды, имеют неэлектрическую природу и называются сторонними электроразделительными силами.

Работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда внутри источника между его полюсами, называется электродвижущей силой Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (эдс).

В системе СИ эдс измеряется в Вольтах.

Если внешняя цепь разомкнута, то эдс равна разности потенциалов, возникающей на полюсах источника тока.

Всякая замкнутая цепь состоит из источника тока и нагрузки. Для замкнутой цепи закон Ома имеет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (6)

где R – внешнее сопротивление (т.е. сопротивление нагрузки, включая и сопротивление соединительных проводов).

r – внутреннее сопротивление (т.е. сопротивление самого источника тока).

Любая реальная электрическая цепь содержит несколько сопротивлений, соединенных между собой различными способами. Наиболее простые виды соединений это последовательное (рис.2) и параллельное (рис.3) :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Полное сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений этих проводников:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (7)

Полная проводимость параллельно соединенных проводников равна сумме проводимостей этих проводников:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (8)

Для расчета разветвленной цепи, в которой произвольно размещены сопротивления и источники тока, не достаточно применения закона Ома и формул (7) и (8). В этом случае можно применить два правила Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил тока в узле разветвления равна нулю:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Под узлом разветвления понимают такие точки цепи, в которых сходится не менее трех проводников. Токи, входящие в узел, условно считают положительным, а токи, выходящие из узла, — отрицательными.

Под узлом разветвления понимают такие точки цепи, в которых сходится не менее трех проводников. Токи, входящие в узел, условно считают положительными, а токи, выходящие из узла, — отрицательными.

Второе правило Кирхгофа: в замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил источников тока равна алгебраической сумме произведений сил тока на сопротивления соответствующих участков этого контура:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

При этом также следует строго придерживаться правила знаков: токи, идущие вдоль выбранного направления обхода (в данном случае по часовой стрелке), считается положительными, а идущие против направления обхода – отрицательными. Электродвижущая сила считается положительной, если она создает ток в положительном направлении обхода контура, в противном случае эдс имеет отрицательный знак.

I. Описание экспериментальной установки.

Одним из наиболее точных способов измерения сопротивлений является метод моста Уитстона. Мост (рис.4) состоит из реохорда АС, гальванометра G, магазина сопротивлений R0 , исследуемого сопротивления R х, ключа замыкания К и источника Б.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

Реохорд АС выполнен из однородной проволоки, сечение которой неизменно по всей ее длине. Скользящий контакт Д. дает возможность изменять длину плеч реохорда l1 и l2 и тем самым изменять сопротивление участков АД и ДС.

Запишем первое правило Кирхгофа для узлов В и Д. и второе правило для контуров АВДА и ВСДВ:

для узла В – Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

для узла Д. – Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (11)

для контура АВДА – Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

для контура ВСДВ – Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (12)

Пусть ток в гальванометре отсутствует, т. е. Jg = 0

Тогда формулы (11) и (12) примет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (13)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (14)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (15)

Поделим уравнение (14) на уравнение (15) и получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Если учесть (13), то получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (16)

где R1 и R2 – сопротивления плеч реохорда.

Согласно формуле (4) можем записать:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Тогда получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (17)

Подставляя (17) в (16), получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (18)

Это есть рабочая формула, по которой определяют сопротивление Rх при условии, что ток в цепи гальванометра отсутствует (Jg = 0).

§

1. Соберите цепь по схеме (рис. 4). Подсоедините в качестве R х одно из исследуемых сопротивлений R х1 .

2. Установите переключатели магазина сопротивлений на нули.

3. Установите ползунок Д. на середину реохорда.

4. Кратковременно замкните цепь ключом К, при этом заметьте, в какую сторону отклоняется стрелка гальванометра.

5. Поочередно вращая переключатели магазина сопротивлений (начиная с большего значения), подберите такое наименьшее значение R 0 , при котором стрелка гальванометра устанавливается наиболее близко к нулю.

6. Перемещая скользящий контакт Д. вдоль реохорда, установите стрелку гальванометра точно на нуль.

7. Запишите в таблицу 1 (для R х1) полученные значения R 0, l1, l2.

8. Измените сопротивление в магазине сопротивлений на величину, равную ± 10% от первоначального значения R 0. С помощью скользящего контакта Д. установите стрелку гальванометра вновь на нуль.

9. Запишите новые значения R 0 , l1, l2 в таблицу 1.

10. Подключите в цепь вместо R х1, второе неизвестное сопротивление R х2 . Повторите пункты 1-9.

11. Соедините оба исследуемых сопротивления последовательно и определите их общее сопротивление R 3 , повторив пункты 1-9.

12. Соедините оба исследуемых сопротивления параллельно и определите их общее сопротивление R 4 , повторив пункты 1-9.

13. По формуле (18) вычислите сопротивление R х для каждого измерения и запишите их в таблицу. Вычислите средние значения.

14. Вычислите полное сопротивление при последовательном и параллельном соединениях исследуемых сопротивлений по формулам (7) и (8). Результаты сравните с опытными значениями R 3 и R 4.

15. Рассчитайте ошибки измерений R х1, R х2, R 3, R 4 по формулам:

Относительная ошибка

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Абсолютная ошибка

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

16. Данные вычисления занесите в таблицу 1.

17. Сделайте выводы.


п/п
R 0, Ом1, мм2, мм R х, Ом ΔR х, Ом ЕR, % R = Rср±Δ Rср, Ом
Сопротивление R 1
1.
2.
3.
             
Ср.              
Сопротивление R 2
1.
2.
3.
             
Ср.              
Сопротивление R 3
1.
2.
3.
             
Ср.              
Сопротивление R 4
1.
2.
3.
             
Ср.              

§

Вещества, растворы которых в воде и некоторых других диэлектрических жидкостях проводит электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода.

Выясним механизм проводимости водных растворов электролитов на примере раствора поваренной соли NaCI.

Взаимодействие атомов натрия и хлора в молекуле поваренной соли упрощенно можно представить как взаимодействие двух ионов: положительно заряженного иона Na и отрицательно заряженного иона CI. (рис.1). Объясняется это тем, что единственный валентный электрон у натрия слабо связан с атомом. При образовании молекул NaCI. этот электрон переходит к атому хлора, превращая его в отрицательный ион CI.; в соответствии с этим молекулу NaCI можно схематически изобразить в виде диполя (рис. 2).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

При растворении поваренной соли в воде молекулы NaCI попадают в окружение молекул воды, которое тоже являются диполями. В электрическом поле, создаваемом молекулой NaCI , молекулы воды ориентируются так, как показано из рис. 2. При этом они растягивают молекулу NaCI настолько, что незначительная ее встряска при отклонении с другими молекулами разрушает ее. Часть молекул NaCI распадается — диссоциирует на ионы Na и CI.. Этот процесс называется электролитической диссоциацией. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся в единицу времени на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь воссоединяющихся в нейтральные молекулы. Другими словами, в водных растворах электролитов всегда имеются в наличии свободные носители зарядов – положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если в сосуд с раствором электролита опустить электроды и включить их в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные к отрицательному – катоду. В результате устанавливается электрический ток. Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

При прохождении тока, например, через раствор медного купороса СuSO4 происходит следующий процесс. Положительные ионы Сu при соприкосновении с катодом получают недостающие электроны и выделяются на катоде в виде нейтральных атомов. Отрицательные ионы (SO4)— — при соприкосновении с анодом отдают лишние электроны. Появившиеся на аноде электроны по внешней цепи переходят на катод и там соединяются с положительными ионами. Если анод медный, то нейтрализовавшиеся ионы SO4 вступают с ними в химическую реакцию и вновь образуют молекулы медного купороса: SO4 Сu Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости СuSO4Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

В результате количество медного купороса в растворе остается неизменным, на катоде выделяется медь, а медь с анода, вступая в химическую реакцию с группой SO4 , переходит в раствор.

Процесс выделения на электродах продуктов разложения электролита при прохождении через этот электролит электрического тока, называется электролизом. Согласно первому закону Фарадея, масса выделивщегося на электроде вещества m пропорциональна силе тока I и времени его прохождения t.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

где k-коэффициент пропорциональности, а It=q заряд, перенесенный ионами за время t.

Из формулы /1/ видно, что коэффициент k численно равен массе выделившегося на электродах вещества при переносе ионами заряда, равного 1 Кулону. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Электрохимический эквивалент выражается в кг/Кл.

Согласно второму закону Фарадея, электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

где М – молярная масса вещества,

Z – валентность,

С – постоянная величина, одинаковая для всех элементов.

Введя вместо коэффициента С величину, ему обратную, второй закон Фарадея можно переписать в виде :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -число Фарадея.

Объединяя формулы /1/и /3/, получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Если масса выделившегося вещества равна его химическому эквиваленту, т. е. /m/=/ Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости /,то /F/=/q/. Таким образом, число Фарадея F численно равно количеству электричества g, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется количество вещества, равное химическому эквиваленту, F=9.6484*104Кл/моль.

В настоящей работе требуется определить электрохимический эквивалент меди и число Фарадея.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСИАНОВКИ.

Для определения электрохимических эквивалентов различных веществ пользуются так называемыми вольтметрами. Медный вольтметр состоит из стеклянной банки, в которую налит раствор медного купороса и погружены две пластинки из красной меди, снабженные клеммами для включения их в цепь /см. рис.3/.Электрическое поле между электродами создается с помощью источника тока/аккумулятора, выпрямителя и др./, сила тока регулируется реостатом R и измеряется амперметром А. Цепь замыкается ключом К, время отмечается по часам.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

I. Порядок выполнения работы.

1. Зачистите электроды наждачной бумагой, промойте струей воды из под крана и просушите над электроплиткой (электроды должны быть совершенно чистыми).

2. Определите массу одной из пластинок m1 на весах с точностью 0,01 грамма.

3. Соберите схему согласно рис. 3, используя в качестве катода пластинку с известной массой.

4. Замкните цепь ключом К и установите реостатом R силу тока I.

5. Проведите процесс электролиза в течении времени t (сила тока I и время процесса t задается преподавателем).

6. Выньте катодную пластинку, помойте ее струей воды, просушите ее и определите массу m2.

7. Вычислите массу m отложившейся на пластинке меди: m = m2 – m1.

8. Подставляя значения m, I, t в формулу (1), рассчитайте электрохимический эквивалент меди k.

9. Вычислите число Фарадея по формуле: Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости зная, что М = 63,57*10-3 Кл/моль, а z = 2.

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

11. Сделайте выводы.

Таблица 1

Масса пластинки m Масса отложившейся меди, кг Сила тока, А Длительность опыта, с ЭХЭ,
кг/Кл
Число Фарадея, Кл/моль
До опыта, г После опыта, г
             

§

Если два различных материала привести в тесный контакт (спаять), то на их концах появится некоторая разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов.

Под тесным контактом подразумевается контакт поверхностей металлов на расстояние порядка размера ячейки кристаллической решетки.

Изучая контактные явления в металлах, итальянский физик Вольта установил два закона.

Первый закон Вольта: контактная разность потенциалов двух металлов зависит только от их химического состава и температуры.

Второй закон Вольта: разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных металлических проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном контакте концевых проводников.

Образование контактной разности потенциалов обусловлено переходом электронов из одного металла в другой, а этот переход происходит по двум причинам.

1. Все металлы характеризуются определенной работой выхода, т. е. работой, которой нужно совершать электрону, чтобы выйти из металла в окружающую его пустоту. Следовательно, если привести в тесный контакт два разных металла, то у одного из них работа выхода электронов будет больше, чем у другого. Пусть А21 (рис. 1). Очевидно, что свободный электрон первого металла, попавший в процесс хаотического движения на границу раздела металлов, будет испытывать силу притяжения со стороны второго металла и пройдет в него. Таким образом, через границу раздела будет происходить «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй. Первый металл зарядится положительно (нехватка электронов), второй отрицательно (избыток электронов).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Возникающая при этом разность потенциалов создает электрическое поле, которое затрудняет дальнейшую перекачку электронов и прекратит ее, когда работа перемещения электронов за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода электронов из металла, т. е.

1. С точки зрения электронной теории металлов хаотическое движение электронов в металле можно рассматривать подобно движению молекул в газе. Поэтому совокупность свободных электронов в металле называется «электронным газом» и каждый металл характеризуется числом свободных электронов в единице объема при t = 0о С, т. е. определенной концентрацией свободных электронов.

В случае контакте двух разных металлов на границе раздела будет происходить диффузия электронов, т. е. переход электронов их металла с большей концентрацией в металл с меньшей концентрацией. Этот переход электронов создает дополнительную контактную разность потенциалов, которая равна:

Таким образом, суммарная разность потенциалов будет равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

Формула (1) является математическим выражением законов Вольта.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных металлов. В местах контакта а и б (рис. 2), образуется разность потенциалов Ua и Uб, причем Ua= — Uб и суммарная разность потенциалов будет равна нулю.

Действительно согласно формуле (3)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

Если в последнем равенстве поменять местами А1 и А2, а также ņ01 и ņ02,то получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (4)

Cравнивая /4/ и /6/ видим, что:

Ua=-Uδ

Но так обстоит дело, если температура контактов одинакова. Рассмотрим случай, когда температура контактов различна. Пусть Тa›Тδ, тогда, складывая (2) и (3), получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (5)

т. е суммарная разность потенциалов не равна нулю. Эта разность потенциалов называется электродвижущей силой термопары (т. е. спаянных двух разнородных металлов) и обозначается Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Обозначим Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости a.

Эта формула (7) примет вид: Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = d (Tа— Тб) = aΔТ (8)

Из последней формулы видно, что термоэлектродвижущая сила термопары прямо пропорциональна разности температур ее спаев. График зависимости Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости от ΔТ называется градуировочной кривой термопары.

§

Задание 1:Градуировка термопары.

1. Соберите цепь по схеме (рис. 3).

2. Залейте в сосуды воду комнатной температуры. Измерьте температуру воды t.

3. Опустите спаи термопары в сосуды с водой.

4. Поставьте один сосуд с водой на нагреватель и включите его (воду в сосуде помешивайте мешалкой).

5. По мере нагревания воды в сосуде, снимите показания термометра и гальванометра через равные промежутки (интервалы) температуры (интервал температуры задается преподавателем)

6. Данные измерений занесите в таблицу 1.

7. По результатам измерений постройте график зависимости термотока от разности температур спаев термопары, отложив разность температур ΔТ по оси Х, а показания гальванометра по оси У.

Таблица 1

Градуировка термопары

Температура холодного спая t =
Показания гальваном.
n
 
t,oC  
Δ t,oC  

Задание 2: Определение температуры тела.

1. Выньте термопару из сосудов с водой и остудите ее.

2. Опустите один спай в сосуд с водой комнатной температуры, а другой прислоните к телу, температуру которого следует определить.

3. Снимите показания гальванометра.

4. По графику найдите значение Δt, соответствующее полученному указанию гальванометра.

5. Определите искомую температуру тела tx по формуле: tx = to Δt.

6. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

7. Сделайте выводы.

Таблица 2

Определение температуры тела


п/п
n, делений гальванометра Δt, оС
 
tx = to Δt, оС
1.
2.
3.
     
Сред.      

§

В организме животных и человека имеется большое количество биологической жидкостей, содержащих значительное количество ионов, которые участвуют в обменных процессах. Под действием электрического поля ионы движутся с различными скоростями и скапливаются около клеточных мембран образуя электрическое поле, называемое поляризационным. Перераспределение ионов в организме под действием электрического поля вызывает изменения функционального состояния клетки и другие физиологические процессы в тканях.

Действие ионов, их разделение и изменение их концентрации в тканевых образованиях и лежат в основе первичного действия постоянного тока на организм.

Действие постоянного тока на живой организм зависит от силы тока, которая в свою очередь зависит от электрического сопротивления тканей и прежде всего кожи.

Электропроводность кожи, через которую ток проходит, главным образом, по каналам потовых и частично сальных желез, зависит от толщены и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая , нежная особенно увлажненная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса довольно хорошо проводит ток. Сухая, огрубевшая кожа является плохим проводником.

Лечебный метод, при котором используется действие на организм постоянного тока незначительной силы, называется гальванизацией. Для этого используется специальный аппарат для гальванизации, состоящий из двухполупериодного выпрямителя с электрическим фильтром. Ток к участку тела подводится с помощью электродов, подключенных проводами к клеммам прибора. Электроды изготовлены из тонкой свинцовой пластинки.

Наложение электродов непосредственно на кожу недопустимо, т.к. продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащейся в тканях и поте, вызывают прижигание в местах касания электродов. Поэтому между кожей и электродом помещают прокладки марлевые, смоченные физиологическим раствором.

Постоянный ток в лечебной практике используют также и для введения в организм лекарственных веществ, образующих в растворе ионы или заряженные частицы. Растворами этих веществ смачивают прокладки под электродами. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.

Сопротивление участка тела можно определить по закону Ома:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

где U – напряжение, подведенное к участку тела, (В), I – сила тока, подходящего через этот участок, (А).

При измерениях сила тока J не должна превышать порогового значения силы тока, т.к. в противном случае ток будет вызывать возбуждение участка тела.

Порогом ощущения называется минимальное значение тока, проходящего через 1 см2 поверхности кожи, при котором появляется ощущения тока – легкое покалывание.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

где J – сила тока, определяемая по миллиамперметру при пороговом раздражении, (мА), S – площадь электрода, (см2).

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Аппарат для гальванизации представляет собой электролечебный аппарат, позволяющий регулировать в цепи пациента напряжение и силу постоянного тока, получаемого путем выпрямления переменного тока осветительной сети и допускающий пользование им непосредственно у постели больного.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Аппарат помещен в пластмассовый корпус. На лицевой панели расположены (рис.1): миллиамперметр 1, ручка переключателя шунта 2 с цифрами 5 и 50 мА, ручка выключателя сети 3, гнезда переключателя обмотки трансформатора на различные напряжения сети 5, клеммы для присоединения проводов пациента с обозначением полярности ( , -) 4, сигнальная лампочка 6.

В принципиальную схему аппарата, которая изображена на рис.2, входят: трансформатор 3; два диода 4, служащих для выпрямления переменного тока; сглаживающий электрический фильтр, состоящий из трех электролитических конденсаторов 5 и двух дросселей 6; потенциометр 7; миллиамперметр 8 с шунтом 9; клеммы 11; переключатель шунта 10.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Ток в цепи пациента измеряется миллиамперметром 8, шунт 9 с переключателем 10 служат для расширения предела измерения миллиамперметра. К выходным клеммам 11 присоединяются провода от электродов, накладываемых на пациента. Лампочка 12 сигнализирует о включении аппарата в сеть тумблером 1. Переключатель 2 необходим для согласования величины сетевого напряжения с трансформатором аппарата для гальванизации.

Наличие трансформатора в аппарате обязательно, т.к. он не только дает необходимое напряжение для его работы, но и исключает возможность попадания непосредственного напряжения, к которой подключен аппарат.

В первичную обмотку трансформатора подается переменный синусоидальный ток периода Т; который возбуждает во вторичной обмотке ток того же периода. График этого тока представлен на рис.3(а), где J – сила тока,

t – время.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

Крайние точки вторичной обмотки трансформатора а и б (рис.2) попеременно, через каждый полупериод, приобретают положительный потенциал по отношению к средней точке обмотки трансформатора с. Поэтому полупроводниковые диоды 4 будут попеременно «запираться» и «отпираться» через каждый полупериод Т/2.

Возникающие при этом токи будут пульсирующими и иметь полупериодные перерывы (рис.3 б,в). Эти токи будут складываться, создавая общий ток

J1 J2 = J

В результате ток будет иметь уже непрерывный, но все же пульсирующий характер (рис.3 г).

Для дальнейшего сглаживания пульсаций тока применяется электрический фильтр. В первую четверть периода (рис.3) во время возрастания пульсирующего тока, конденсаторы фильтра заряжаются; уменьшая тем самым ток в цепи. Во вторую четверть периода пульсирующего тока уменьшается, при этом конденсаторы фильтра начинают разряжаться, создавая ток, совпадающий с направлением пульсирующего тока. Тем самым частично компенсируются падение пульсирующего тока (рис. 3 д.).

Дроссель еще больше способствует сглаживанию пульсации тока. При возрастании пульсирующего тока в дросселе возникает Э.Д.С. самоиндукции, направленная противоположно направлению изменения тока. Уменьшение пульсирующего тока приводит к возникновению Э.Д.С. самоиндукции, направленной также, как и ток и, следовательно, задерживающий падение пульсирующего тока. Результатом этого является еще большее сглаживание тока, превращение его в почти постоянный (рис. 3, е.).

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1. Определение порога ощущения.

1. Ознакомьтесь с расположением ручек управления и приборов на лицевой панели аппарата. (Аппарат включается в сеть переменного тока напряжением 220 В).

2. Подключите к выходным клеммам аппарата электроды.

3. Протрите ватным тампоном, смоченным спиртом, руку.

4. Наложите электроды на руку товарища на 5-6 см выше кисти (с обеих сторон), предварительно положив под электроды прокладки из нескольких слоев марли, слегка смоченных физиологическим раствором. Укрепите электроды с помощью эластичного бинта.

5. Ручка потенциометра должна находится в левом крайнем положении.

6. Включите аппарат и, поворачивая ручку потенциометра по часовой стрелке, отметьте по шкале миллиамперметра пороговое значение тока.

7. Выведите потенциометр в крайнее левое положение и повторите опыт дважды.

8. Выключите аппарат, замерьте площадь электрода.

9. Рассчитайте порог ощущения по формуле (2).

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Определение порога ощущения

ЗАДАНИЕ 2. Определение сопротивления тела.

1. Подключите к выходным клеммам вольтметр параллельно электродам (соблюдая полярность на клеммах вольтметра).

2. Наложите электроды на руку, как в задании 1 согласно пункта 4.

3. Вращая ручку потенциометра, установите ток меньше порогового и запишите показания миллиамперметра и вольтметра.

4. Увеличьте напряжение на 1-2 вольта и запишите новые показания миллиамперметра и вольтметра.

5. Опыт повторите еще раз. Сила тока во всех опытах не должна превышать пороговое значение.

6. Вычислите сопротивление участка тела для каждого из трех измерений по формуле (1) и найдите среднее значение.

7. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

Определение сопротивления участка тела

8. Сделайте выводы.

§

Все вещества по электропроводимости делятся на три класса проводники, диэлектрики и полупроводники.

В металлах (проводниках первого рода) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току очень мало. В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков велико. Полупроводники по величине электрического сопротивления занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 10-7Ом м и меньше, диэлектриков 10 8Ом м и больше; удельное сопротивление полупроводников лежит между указанными пределами.

Характерной особенностью полупроводников являемся то, что их электрические свойства резко изменяются под действием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы, например: германий Ge, селен Se, кремний Si; оксиды: закись меди CuO, окись цинка ZnO; интерметаллические соединения InSb, GaDS и др.

Из теории строения атома известно, что каждый электрон может иметь только вполне определенные значения энергии.

Ввиду этого энергетический спектр электронов изолированного атома является дискретным. Энергия электронов соответствует определенным энергетическим уровням, значение энергий между которыми являются запрещенными для электронов. Такие уровни показаны в правой части рис.1, а в виде отдельных линий 1-5. На этом рисунке по оси ординат отложены значения энергии Е. электронов, а по оси абсцисс – расстояние между атомами. При больших расстояниях атомы независимы друг от друга и их энергетические уровни одинаковы.

Сейчас читают:  Как починить и настроить крышку расширительного бачка - КОЛЕСА.ру – автомобильный журнал

В твердом теле расстояние между атомами настолько мало, что каждый из них находится в сильном электромагнитном поле, созданном соседними атомами. Это приводит к расщеплению одних и тех же энергетических уровней отдельных атомов, т.е. превращению их в энергетическую зону. Энергетические зоны в кристалле, так же как и дискретные уровни в атоме, отделены друг от друга зонами запрещенных энергетических значений и могут вместить лишь определенное количество электронов.

Величина расщепления для разных уровней неодинакова, появляются системы уравнений. На рис.1 а, эти системы уровней – энергетические зоны – показаны заштрихованными областями, как бы возникающими из отдельных уровней независимых атомов.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

По мере уменьшения (т.е. сближения атомов), зоны будут перекрываться, а расщепление захватит и уровни внутренних электронов.

На рис. 1 б схематически показаны энергетические зоны и отдельные уровни электронов в кристаллах, соответствующие расстоянию между атомами, равному r1 . Из рисунка видно, что для внешних (валентных) электронов возникли зоны в результате расщепления уровней 4 и 5, для внутренних электронов сближение атомов до расстояния r1 еще недостаточно, чтобы образовать зоны. Две заштрихованные зоны на рис. 1 б разделены «пустым» пространством, которое принято называть запрещенной зоной. Электрические свойства материалов определяются заполненностью электронами валентной зоны, т.к. поведение электронов в заполненной и незаполненной зонах существенно отличается. Внешнее электрическое поле в кристалле может вызвать изменение в движении электронов не полностью заполненной зоны и не изменяет движение электронов в зоне, заполненной полностью. Это объясняется тем, что изменение движения электронов связано с изменением его энергетического состояния, а последнее возможно тогда, когда электрон находится в зоне, где есть свободные энергетические уровни, т.е. в не полностью заполненной зоне. В зоне, заполненной полностью нет свободных уровней, и поэтому не может изменять своего движения под действием внешнего поля.

Расположение зон для полупроводника в невозбужденном состоянии представлено на схеме рис.2.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

В диэлектриках и полупроводниках при Т = 0 К валентные зоны целиком заполнены, а зоны проводимости пусты (рис.2 а). Они разделены запрещенной зоной, ширина которой, определяемая энергией Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Е., может быть от сотых долей до 3 эВ у полупроводников и более 3 эВ у диэлектриков. При этой температуре и в отсутствии внешнего воздействия полупроводники и диэлектрики являются идеальными изоляторами.

При нагревании начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. С ростом температуры все большая часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни зоны проводимости, что и приводит к возрастанию проводимости.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест – дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны. На свободное место может перескочить электрон одного из соседних атомов. Дырка, имеющая положительный заряд начинает перемещаться по кристаллу так же, как и освободившийся электрон. Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда – электроны и дырки.

При отсутствии внешнего поля электроны и дырки движутся хаотически. Под действием поля они приобретают упорядоченное движение: электроны против поля, дырки – по полю. Химически чистый полупроводник (беспримесный) называют собственным, образующиеся в нем носители зарядов – электроны и дырки – собственными носителями, обусловленную ими проводимость – собственной проводимостью. Для такого полупроводника концентрация электронов равна концентрации дырок, т.е. n=р.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от наличия в них примесей. Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рассмотрим механизм влияния примесей на электропроводность полупроводников. Допустим, что в германий внесены примеси мышьяка, атомы которого имеют, пять валентных электронов. Каждый атом германия связан (рис. 3) ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Если в кристалле атомы германия будут частично заменены атомами мышьяка, то четыре из его пяти валентных электронов заполнят валентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый окажется лишним. Он перейдет на примесный уровень (рис. 2,б ), расположенный у дна зоны проводимости. При этом ΔЕg<<ΔЕ, благодаря чему при небольших внешних воздействиях (ΔЕg – энергия, отделяющая донорные уровни от зоны проводимости) концентрация примесных электронов, поставляемых примесными атомами в зону проводимости, превзойдет концентрацию собственных носителей. Подобного типа примеси и образованные ими уровни получили название донорных уровней (отдающих электроны). Такая проводимость называется электронной, а проводник – n типа.

Если часть атомов германия заменить атомами одного из элементов третьей группы периодической системы элементов, например, индия, то трех его валентных электронов не хватит (рис.4) для заполнения валентных связей с соседними атомами германия. Образуется вакантная связь, которая может быть заполнена за счет перехода на вакансию электрона из любой заполненной связи.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

С энергетической точки зрения этот переход эквивалентен переходу электрона из заполненной валентной зоны кристалла на энергетический уровень примеси (рис 2 в). Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны, создавая в ней дырку, при этом ΔЕа<< ΔЕ (ΔЕа — энергия, отделяющая акцепторные уровни от зоны проводимости). Примеси такого рода называются акцепторными (принимающими электроны), проводимость называется дырочной, а полупроводник р – типа.

Основным элементом полупроводниковых приборов является р – n – переход, представляющий собой граничный слой в полупроводнике с двумя областями, одна из которых обладает проводимостью р типа, а другая – n- типа.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе контакта двух полупроводников с разными типами проводимости (р – n).

При отсутствии внешнего поля в месте контакта двух полупроводников начинается процесс диффундирования (перехода) дырок в n – полупроводник и электронов в р. – полупроводник. Прилегающая к контакту область n – полупроводника получит положительный заряд, обусловленный положительными атомами доноров, а соответствующая область р – полупроводника – отрицательный, отрицательные атомы акцепторов. В результате левый полупроводник оказался заряженным положительно, а правый отрицательно, т. е. на границе раздела возникает двойной электрический слой. Возникающая в месте контакта полупроводников контактная разность потенциалов, и соответственно электрическое поле, препятствует, дальнейшему переходу электронов и дырок через границу р-n – перехода.

Если рассматриваемую систему включить в электрическую цепь так, чтобы внешнее поле было направлено против поля на границе (рис. 5, б), то электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу, уменьшая ширину двойного электрического слоя и по цепи пойдет ток, сила которого быстро возрастает при увеличении приложенного напряжения. Такое включение р-n – перехода называется прямым, а проходящий ток – прямым или пропускным током.

Если направление внешнего поля совпадает с направлением поля в месте контакта двух полупроводников (рис. 5 в), электроны и дырки начнут двигаться в противоположных направлениях, увеличивая ширину двойного электрического слоя. Величина тока в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов из n –области в р – область, и дырок из р – в n область. Такое включение р-n – перехода называется обратным или запорным, а проходящий ток – обратным или запирающим током.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Зависимость тока, проходящего через р-n – переход, от приложенного напряжения, называемого вольт-амперной характеристикой Р-n – перехода (рис.6). Верхняя кривая соответствует прямому включению, а нижняя -обратному (запорному).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.6

Такой вид вольт-амперной характеристики указывает на одностороннюю проводимость р-n – перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Такие приборы получили название диодов (полупроводниковых).

Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является коэффициент выпрямления, равный отношению сил токов – прямого к обратному, измеренных при одинаковых прямом и обратном напряжениях.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при | Uпр | = | Uобр |.

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В работе предлагается снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и измерить его коэффициент выпрямления.

Схема установки изображена на рис. 7.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.7

Переключателем К на полупроводниковый диод Д можно подавать напряжение от источника Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1 в прямом направлении и от источника Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 в обратном направлении.

Напряжение, подаваемое на диод, можно изменять потенциометрами П1 и П2. Прямой ток через диод измеряется миллиамперметром А1, обратный ток – микроамперметром А2 . Напряжение, подаваемое на диод, измеряется вольтметрами V1 и V2 .

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ,

1. Определите диапазон измерения и цену деления приборов.

2. Поставьте потенциометр П1 в крайнее левое положение, включите источник питания Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1.

3. Поставьте переключатель К в положении 1, соответствующие прямому направлению тока через диод Д.

4. Снимите зависимость прямого тока от напряжения, постепенно повышая напряжение поворотом потенциометра П1 . (интервалы изменения напряжения указываются преподавателем).

5. Отключите источник питания Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1 .

6. Поставьте переключатель К в положение 2 и включите источник питания Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 .

7. Снимите зависимость обратного тока от напряжения, изменяя напряжение U2 на диоде с помощью потенциометра П2 .

8. Данные опыта занесите в таблицу 1.

9. Постройте вольт-амперную характеристику диода по данным таблицы 1.

10. Рассчитайте параметры диода ( К, R пр, R обр ) из вольт-амперной характеристики.

11. Вычислите максимальный коэффициент выпрямления для диода.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при | Uпр | = | Uобр |.

( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостипр = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , Rобр = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости рассчитаны при максимальном К ).

Таблица 1

Снятие вольт-амперной характеристики диода

№ п.п. Uпр , В Jпр, А Uобр, В Jобр, А Rпр, Ом Rобр, Ом K
               

§

Как отмечалось в лабораторной работе № 18, при контакте двух полупроводников различного типа проводимости образуется Р-n переход, обладающий односторонней проводимостью. Если в одном кристалле проводника создать два Р-n перехода, то получится система, способная усиливать или генерировать электрические сигналы. Такие полупроводниковые приборы получили название транзисторов. Различают транзисторы р-п-р и п-р-п типов (рис. 1 а,б). Средняя часть транзистора называется базой Б или основанием, а крайние – эмиттером Э и коллектором К.

Условные обозначения транзисторов в электрических схемах представлены на рис. 1 в,г.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рассмотрим работу транзистора р-п-р типа. Он представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из двух областей р – типа, разделенных узкой областью п-типа (рис. 2).

К эмиттерному переходу подключена батарея Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиэ и источник слабого переменного напряжения Uс . К коллекторному переходу подключается батарея Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостик и нагрузка R.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Таким образом, эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный – в запорном.

Под действием электрического поля батареи Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиэ дырки из эмиттера попадают в базу. Слой базы очень тонкий (порядка нескольких микрометров), поэтому дырки не успевают рекомбинировать в базе и проходят через коллекторный переход, попадая в коллектор. Через эмиттерный переход течет ток Jэ , создаваемый преимущественно основными носителями эмиттера (дырками), а через коллектор течет ток Jк , создаваемый неосновными зарядами базы (дырками), причем Jэ ³ Jк.

При подаче переменного сигнала Uс число дырок, пришедших из эмиттера в базу, изменится, а значит, изменится и число дырок, попавших в коллектор. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению тока в коллекторе.

Поскольку сопротивление коллекторного перехода велико (он включен в запорном направлении), изменение тока Jк значительно изменяет напряжение Uк , а значит и мощность. Таким образом, транзистор, включенный по данной схеме, усиливает переменный сигнал Uс по напряжению и мощности.

Рассмотренная схема включения транзистора является схемой с общей базой ОБ. Кроме того, существуют схемы включения транзистора с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.

В данной лабораторной работе снимают характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером ОЭ (рис. 3).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Свойства транзистора в такой схеме определяются входной и выходной характеристикам и статистическими параметрами: входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по току.

Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном входном напряжении

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при Uк = const

Этот параметр легко найти из графика входной характеристики (рис.4).

Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

Jk = f(Uk) при JКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = const

Выходное сопротивление транзистора равно:

Rвых = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = const

Оно определяется из графика выходной характеристики (рис. 5)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент усиления по току равен отношению изменения силы входного тока к соответствующему изменению силы тока базы.

при U /к = const.

Коэффициент усиления по току определяется из графика выходных характеристик, снятых при значениях тока базы J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (рис.5).

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки для исследования транзистора приведена на рис. 6.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.6

Напряжение от источника Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1 при замыкании ключа К1 подается на базу транзистора Т. Напряжение на базе регулируется потенциометром П1. При замыкании ключа К2 напряжение от источника Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 подается в цепь коллектора К, которое можно изменять потенциометром П2. Сила тока в цепи базы измеряется микроамперметром, а в цепи коллектора – миллиамперметром. Напряжение, подаваемое на базу и коллектор измеряется вольтметрами V Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Vk.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1. Снятие входной характеристики транзистора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при Uk=const и определение входного сопротивления транзистора.

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор (между коллектором и эмиттером) можно только при наличии напряжения на базе (между базой и эмиттером).

1. Включите установку с помощью ключей К1 и К2 .

2. Снимите входную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное напряжение на коллекторе Uк1. Изменяя напряжение на базе U Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости с помощью потенциометра П1 , запишите соответствующие значения силы тока базы J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

3. Установите напряжение на коллекторе Uк2 с помощью потенциометра П2 и вновь снимите зависимость тока базы J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости от U Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

ПРИМЕЧАНИЕ: значения Uк1 , Uк2 и интервалы изменения U Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости задаются преподавателем.

4. Данные опыта занесите в таблицу 1.

5. Постройте входные характеристики транзистора.

6. По одной из входных характеристик транзистора рассчитайте входное сопротивление транзистора:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при Uk = const.

Таблица 1

Результаты эксперимента

ЗАДАНИЕ 2 Снятие выходных характеристик транзистора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при UКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости=const и определение статистического коэффициента усиления по току.

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор можно только при наличии напряжения на базе.

1. Включите установку ключами К1 и К2 .

2. Снимите выходную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное значение тока базы J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости . Изменяя напряжение на коллекторе Uк потенциометром П2, запишите соответствующие значения тока в цепи коллектора Jк..

3. Установите ток базы J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости потенциометром П1 и вновь снимите зависимость тока в цепи коллектора Jк от напряжения на коллекторе Uк.

4. Данные опыта занесите в таблицу 2.

5. Постройте выходные характеристики транзистора.

6. Рассчитайте статистический коэффициент усиления по току:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при Uk = U /к = const.

7. По одной из выходных характеристик транзистора определите выходное сопротивление:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = const

8. Сделайте выводы.

Таблица 2

Результаты эксперимента

ПРИМЕЧАНИЕ: значения J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , J Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , Uк и интервалы изменения Uк задаются преподавателем.

§

Рассмотрим цепь, содержащую только резистор R с омическим сопротивлением R (рис. 1).

Сопротивление R резистора называют активным, так как в нем происходит необратимая потеря электрической энергии, переходящей в тепловую.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

К зажимам цепи приложено переменное напряжение

UR = Umax * Cos Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t (1)

где umax – амплитудное значение напряжения, Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — круговая частота.

Величину тока, проходящего через резистор, определим исходя из закона Ома:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t = J max cos wt (2)

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — амплитудное значение силы тока. Из формул (1) и (2) видно, что сила тока и напряжение на активном сопротивлении изменяются в одной фазе – гармонически (рис.2), их можно представить с помощью векторной диаграммы (рис.3).

Вектор, изображающий амплитудное значение силы тока Jmax , обычно откладывается вдоль горизонтальной оси, взятой за начало отсчета.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2

Угол между амплитудным значением тока и напряжением называют фазовым. В цепи, содержащей только активное сопротивление, сдвиг фаз между силой тока и напряжением отсутствует, а поэтому вектор напряжения будет направлен так же, как и вектор тока, т.е. вдоль оси токов (рис.3).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рассмотрим цепь, содержащую катушку индуктивности с индуктивностью L (рис.4), омическое сопротивление которой будем считать равным нулю.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

Напряжение на зажимах цепи будет:

UL = Umax * cos Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t (3)

По закону Ома для участка цепи при R = 0 будем иметь

UL = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиL (4)

(будем считать, что приложенное напряжение уравновешивается электродвижущей силой самоиндукции, равно ей по значению и противоположно по направлению),

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиL — ЭДС самоиндукции, которая по основному закону электромагнитной индукции будет равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиL = — L Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (5)

Учитывая формулы (3) , (4) и (5), получим :

Umax Cos Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t = L Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (6)

Выделив переменные в (6) и проинтегрируя его, найдем :

I = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t = Jmax cos ( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t — Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ) , (7)

где Imax = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — амплитудное значение тока. RL = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости L – называется индуктивным сопротивлением. На индуктивном сопротивлении не происходит потери энергии и его называют реактивным сопротивлением.

Из (7) и (3) следует, что сила тока отстает от напряжения (рис. 5). Причиной этого является ЭДС самоиндукции. На рис. 6 представлена векторная диаграмма напряжения и тока в цепи с индуктивностью.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рассмотрим цепь, содержащую конденсатор емкостью С (рис. 7).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Напряжение на зажимах цепи:

Uc = Umax cos Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t (8)

А сила тока

I = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (9)

На основании (8) получим:

I = — UmaxКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости c Sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t = Jmax Cos ( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости t Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ), (10)

где Jmax = Umax c Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (11)

Jmax — амплитудное значение силы тока.

Величина Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

называется емкостным сопротивлением и так же как индуктивное называется реактивным сопротивлением. Оно зависит от емкости конденсатора и частоты.

Из /8/ и /10/ следует, что в цепи с емкостным сопротивлением напряжение на конденсаторе отстает по фазе от колебаний силы тока на величину π/2.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Векторная диаграмма полученных результатов представлена на рис.9.

Рассмотрим цепь, содержащую резистор, катушку и конденсатор /рис.10/.

Как было изложено выше, сила тока в цепи и напряжение изменяются не в одной фазе, т. е. если сила тока изменяется по закону:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

то напряжение по закону :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где φ-сдвиг фаз между током и напряжением. Полное сопротивление цепи называется импедансом и обозначается Ż.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Для нахождения импеданса и сдвига фаз, воспользуемся векторной диаграммой / рис.11/.Амплитуды напряжений на всех участках будем
откладывать относительно силы тока, т.к. она во всей цепи одинакова. На резисторе векторы напряжения и силы тока совпадают, т.к. они не имеют разности фаз.

На индуктивном сопротивлении вектор напряжения опережает силу тока по фазе на π/2, а на емкостном- отстает на π/2. Результирующий вектор найдем путем сложения трех векторов. Векторы UmaxL и UmaxC направлены по одной прямой в противоположные стороны. Полученные векторы (UmaxL— UmaxC) и UmaxR складываются по правилу параллелограмма и находится результирующий вектор Umax,т.е.:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости /13/

Учитывая, что

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ; UmaxL=Imax*ωL; Umaxc=Imax*Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости . (14)

получим:

I2max R2 = J2max R2 J2max (RL – Rc )2 (15)

Обозначим R через Z – полное сопротивление цепи или импеданс, тогда

Z = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (16)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Из рис. 11 получаем

tg Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (17)

Закон Ома для рассматриваемой цепи будет иметь вид:

Jmax =Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (18)

Электроизмерительные приборы показывают не амплитудные значения тока и напряжения, а эффективные, которые связаны между собой следующим образом:

Iэф = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Uэф= Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ,

Тогда выражение /18/ примет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости /19/

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Переносной измерительный комплект типа К-50 имеет постоянно смонтированную схему и предназначен для постоянных измерений силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных цепях переменного тока.

На общей панели смонтированы все элементы схемы измерительного комплекта К-50. Все необходимые соединения между элементами схемы выполнены постоянным монтажом.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.12

Кроме крышек измерительных приборов над лицевой стороной панели выступают: ручки переключателей, зажимы, крышка фазоуказателя и кнопка, карболитавая панель со штырьковым переключателем и потенциальными зажимами. Корпус комплекта имеет съемную крышку, на внутренней стороне которой укреплена табличка- инструкция К-50.

Схема включения измерительного комплекта приведена на рис. 12.

Комплект включения в сеть через ЛАТP РН.

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНЯ РАБОТЫ.

ВНИМАНИЕ: подключение комплекта К-50 можно производить только при отключенном источнике питания.

1. Установите комплект в горизонтальное положение.

2. Подключите источник питания к группе зажимов, обозначенных “ген”, нагрузку подключите ко второй группе зажимов, имеющих обозначение ”нагр”. /рис.13/.

3. Установите переключатель фаз комплекта в положение “0”, переключатель номинальных напряжений в положение 600 В, переключатель номинальных токов в положение 50 А, переключатель полярности ваттметра в положение” ”, колодку “К” (штыковый переключатель с обозначением стрелки) установите стрелкой в сторону приборов (рис. 13).

4. Установите стрелки приборов с помощью корректоров на нулевые отметки шкал.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

5. Поставьте переключатель фаз в положение фазы, в которой хотят произвести измерения.

Если отклонение стрелки амперметра будет меньше 50 % верхнего предела измерения (отметка 50), то переключатель номинальных токов перевести на меньший предел измерения.

Если отклонение стрелки вольтметра будет меньше 50 % от верхнего предела измерения (отметка 75), то переключатель напряжений перевести на меньший предел измерений.

ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат – позиция 1. (рис. 14), определяя при этом Iэфи Uэф Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостипо амперметру и вольтметру.

2. Определите активное сопротивление по формуле:

R = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

ЗАДАНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ.

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат и катушку индуктивности (поз. II. Рис. 14).

2. Изменяя подаваемое в схему напряжение U с помощью ЛАТР – а РН, запишите соответствующее ему значение силы тока Iэф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости при различных напряжениях и найдите Z ср.

4. Рассчитайте индуктивное сопротивление RL = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и индуктивность катушки

L = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 2 Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости f, f = 50 Гц, (активное сопротивление катушки указано на его корпусе); R – активное сопротивление катушки и лампового реостата.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 14.

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений RL и L

№№ п.п. Uэф, В Jэф, А Z, Ом Zср, Ом RL, Ом L Гн
             

ЗАДАНИЕ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И МКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат, и конденсатор (поз.III рис. 14).

2. Последовательно подавая в цепь различные напряжения Uэф , (изменяя его ЛАТРом РН), измерьте соответствующие силы токов Iэф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z при различных напряжениях и найдите его среднее значение Zср .

4. Рассчитайте емкостное сопротивление и емкость конденсатора:

Rc = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ; C = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Результаты измерений и вычислений Rc и С

№№ п.п. Uэф, В Jэф, А Z, Ом Zср, Ом Rс, Ом С, ф
             

§

Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света, закономерности световых явлений.

Свет – сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т. е. совокупность двух взаимно перпендикулярных волн – электрической и магнитной.

Свет, в различных прозрачных средах распространяется с различными скоростями.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной.

Пусть свет падает на границу раздела двух сред, скорость света одинакова в которых соответственно С1 и С2, причем С1 > С2 (рис. 1).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

На границе раздела сред падающий свет (луч 1) частично проходит (преломляется) во вторую среду (луч 3): α – угол падения, β – угол отражения и γ – угол преломления.

α = β (1)

Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения – закон отражения света.

Закон преломления:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

Подающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, приведенным в точке падения; отношение синуса угла падения к синусy угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.

Обозначим Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , где С – скорость света в вакууме, n 1 и n 2 – абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света данной среде меньше скорости света в вакууме. Абсолютный показатель преломления вакуума равен единице.

Зная, что показатели преломления двух сред обратно пропорциональны скорости распространения света в средах, закон преломления можно представить в виде:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

где n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Оптически однородной средой является среда; во всех точках которой показатель преломления одинаков. Среда c меньшим показателем называется оптически менее плотной, а среда с большим показателем – оптически более плотной. Показатель преломления зависит от длины волны света. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду: n 1 < n 2 (рис. 2), то угол преломления меньше угла падения (лучи 1-1, 2-2). При угле падения Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиm = 90 (лучи 3-3) свет во второй среде распространяется в пределах угла Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостипр , называемого предельным углом преломления.

Согласно закона преломления (2) : Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости но sin 90 = 1, следовательно sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду: n2 > n1, (рис. 3), то угол преломления больше угла падения (луч 1-1,). Угол преломления γm = 90о (луч 2-2,) соответствует углу падения αпр. Если свет падает под углом больше предельного, то он полностью отражается от границы сред (луч 3-3,). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения называется предельным углом полного внутреннего отражения.

Согласно закона преломления (2):

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , т. к. sinγm = 1, sinαпр = 1, sinαпр = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

для двух данных сред γпр = αпр.

Значение показателя преломления среды в основном зависит от свойств среды; однако в некоторой мере оно зависит и от длины волны света. Световые волны различной длины распространяются в данной среде с различной скоростью. Поэтому одна и та же среда по разному преломляет различные монохроматические лучи.

Зависимость показатель преломления среды от длины волны света называется дисперсией света. В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр. Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением длины световой волны. Такой дисперсией света обладают среды, слабо поглощающие свет, т. е. прозрачные среды.

§

Рефрактометр ИРФ – 22 состоит из следующих частей (рис. 4): корпуса 1, измерительной головки 6 и зрительной трубы 16 с отсчетным устройством.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 4

Измерительная головка смонтирована на корпусе прибора. Она представляет собой два литых полушария, которые служат оправами измерительной и осветительной призм.

Tак как показатель преломления исследуемой жидкости в значительной мере зависит от температуры, при измерении она должна поддерживаться постоянной. Для этого в оправах призм предусмотрены камеры, через которые пропускается термостатируемая вода. Подача и отвод ее производится через резиновые шланги 4, надеваемые на штуцеры 3,5,9 и 11. Для контроля за температурой вода в оправу призм ввинчивается термометр 7.

Чтобы найти границу раздела и совместить ее с перекрестием сетки, нужно, вращая маховичек 5 (рис 5), наклонить измерительную головку до нужного положения. При освещении белым светом, вследствие явления дисперсии, эта граница будет окрашенной. Для устранения окрашенной наблюдаемой границы и определения средней дисперсии вещества (жидкости) служит компенсатор состоящий из двух призм прямого зрения (призм АМИЧИ). Маховичком 12 можно вращать призмы одновременно в разные стороны, меняя при этом дисперсию компенсатора и устраняя цветную кайму границы раздела Вместе с компенсатором вращается барабан 2 со шкалой, по которой определяют среднюю дисперсию жидкости.

Исследуемое вещество подсвечивается зеркалом 8, а шкала показателей преломления – зеркалом 3 (рис. 5).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.5

Пределы измерений показателя преломления в проходящем свете 1.3-1.7. Пределы погрешностей измерений показателей преломления 2*10-4.

Рефрактометр универсальный лабораторный УРЛсостоит из двух основных частей (рис. 6): верхней – корпуса 2, и нижней – основания 1. К корпусу прибора крепятся камеры – верхняя и нижняя. Нижняя камера 3, заключающая в себя измерительную призму, соединена шарниром с нижней и может поворачиваться относительно нее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой.

Исследуемый раствор помещается между плоскостями двух прихм осветительной и измерительной.

На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель 4, свет от которого может быть направлен в одно из окон камеры. Для контроля температуры исследуемого раствора служит термометр 5. Со стороны передней крышки корпуса видна шкала 9 рефрактометра.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 6

На оси прибора укреплены: рукоятка 11 с окуляром 10 и настроечным механизмом 14, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки лимб дисперсии 7 для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр; механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы. Для фиксации положения границы светотени относительно неподвижной шкалы 9 окуляр 10 вращается относительно оси рукояткой 11. Через окуляр 10 зрительной трубы наблюдается граница светотени, перекрестие сетки и шкалы.

Нижняя и верхняя части камеры имеют окна, закрывающиеся пробкой. На передней стенке основания имеется выключатель 13 для включения осветителя, а на боковой стенке – шнур с вилкой 12 для подводки питания от сети.

Пределы измерений по шкале показателей преломления от 1,2 до 1,7.

Пределы погрешности измерений показателей преломления ±

Показатель преломления прозрачных жидкостей определяют в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между гипотенузными гранями призм (рис. 7). (Необходимо, чтобы исследуемая жидкость полностью заполнила зазор между измерительной и осветительной призмами).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 7

Верхняя призма 0 – осветительная, ее гипотенузная грань АВ – матовая. Нижняя призма И – измерительная.

Свет от источника с помощью зеркала З направляется на боковую грань АС осветительной призмы. При выходе через ее матовую грань АВ свет рассеивается и, проходя через жидкость, входит в измерительную призму И по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90о. На грани ДГ свет преломляется и внутри измерительной призмы И проходит только в пределах предельного угла γпр.

Если на пути света, выходящего из призмы, поставить Т – зрительную трубу, то нижняя часть ее поля зрения будет освещена, а верхняя останется темной. Получающаяся граница света и тени определяется лучом, выходящим из призмы под определенным углом. Наблюдая в зрительную трубку, совмещают границу раздела с перекрестием зрительной трубы и непосредственно по шкале прибора ИРФ-22 снимают отсчет величины показателя преломления, а на приборе УРЛ еще и концентрацию раствора.

При определении показателя преломления окрашенных, т.е. сильно поглощающих свет жидкостей, свет падает на измерительную призму через матовую грань ГЕ.

Все измерения на приборах проводятся в белом свете. На приборе ИРФ-22 зеркало 8 устанавливают так, чтобы свет от источника через окно 1 поступал в осветительную призму (рис. 4) и равномерно освещал поле зрения.

В приборе УРЛ осветителем 4 добиваются равномерного освещения поля зрения. Наблюдая в окуляр зрительной трубы, находят границу раздела с перекрестием сетки и снимают отсчет по шкале показателей преломления.

Индексом для отсчета служит неподвижный горизонтальный штрих сетки. Целые, десятые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитываются по шкале, десятитысячные доли оцениваются на глаз.

Шкала показателей преломления приведена для температуры 20С. Если измерения производятся при температуре значительно отличающейся от 20С, и требуются точные значения, то к отсчету по шкале нужно ввести поправку на температуру по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — температурный коэффициент показателя преломления стекла измерительной призмы.

Приняв для призмы Аббе среднее значение

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 0.084 * 10 – 4 ; sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = 0.87 ,

получим

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости— 4

По этой формуле вычисляются температурные поправки в пределах от 5 до 35С.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучите описание и правила пользования рефрактометрами типа ИРФ-22 и УРЛ.

2. Проверьте нулевую точку прибора по дистиллированной воде, при 20С граница раздела должна пройти деление 1,333 шкалы показателя преломления.

3. Определите показатели преломления исследуемых жидкостей.

При исследовании на приборе ИРФ-22 определите концентрацию раствора сахара по таблице 1.

4. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

5. Сделайте выводы.

Таблица 1.

Международная таблица (1936 г.) перевода шкалы % сухих веществ (по сахарозе) в показатель преломления

Таблица 2.

Показатель преломления и концентрация раствора сахара жидкостей

§

Линза является основной деталью оптических приборов (зрительной трубы, микроскопа, фотоаппарата, бинокля и др.). Линзы для видимого света изготавливают из стекла, для ультрафиолетового излучения – из кварца, для инфракрасного – из каменной соли.

Линзой называется тело с определенным показателем преломления, ограниченное двумя сферическими (иногда цилиндрическими) поверхностями, одна из которых может быть плоской.

На рис.1. изображены поперечные сечения двояковыпуклой (а) и двояковогнутой (б) сферических линз (R1, R2, R3 – радиусы кривизны поверхностей линз).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Сферическими (выпуклыми) называются линзы, превращающие падающий на них пучок параллельных лучей в пучок сходящихся лучей. У таких линз середина толще краев.

Рассеивающими (вогнутыми) называются линзы, превращающие пучок параллельных лучей в пучок расходящихся лучей. У таких линз края толще середины. Схематическое изображение собирающих (а) и рассеивающих (б) линз приведено на рис. 2

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Линзы бывают тонкие и толстые. Тонкой называется линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны линзы. Мы будем рассматривать только тонкие линзы. У такой линзы (рис.3) имеется точка 0, обладающая тем свойством, что проходящие через нее лучи не изменяют своего направления.

Точка 0 называется оптическим центром линзы.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Плоскость ММ / , перпендикулярная главной оптической оси и проходящая через оптический центр, называется главной плоскостью линзы: прямая SS / , проходящая через центры кривизны О1 и О2 поверхностей, образующий линзу, называется главной оптической осью линзы (рис. 1, 3).

Прямая, РР / , проходящая через оптический центр под углом к главной оптической оси, называется побочной оптической осью.

Луч, идущий вдоль оптической оси (главной или побочной), называется центральным.

Главным фокусом линзы называется точка, в которой пересекаются после преломления в линзе лучи, падающие на нее параллельно главной оптической оси (рис. – точки F1 и F2).

Расстояние главного фокуса от оптического центра линзы ( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2) называется главным фокусным расстоянием.

Для собирающих линз фокусное расстояние величина положительная, для рассеивающих отрицательная. Фокусы у собирающей линзы – действительное, у рассеивающей – мнимые.

Плоскости Q1 и Q2, проходящие через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, называются фокальными плоскостями линзы. В каждой линзе имеются два фокуса, лежащие по обе стороны ее /передний и задний/.

Лучи, падающие на линзу L параллельно побочной оптической оси PP΄, сходятся после преломления в точке К, лежащей в фокальной плоскости Q (рис.4).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

Общая формула тонкой линзы имеет вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -расстояние от предмета до линзы,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -расстояние от изображения предмета до линзы,

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости -относительный показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза .

R1 и R2 – радиусы кривизны поверхностей линзы.

Тогда фокусное расстояние для линзы:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (2)

Учитывая (2), формулу линзы можно представить в виде:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

Формула (3) остается справедливой и для рассеивающей линзы, только расстояния f и в следует считать отрицательными:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической слой линзы:

Д = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (4)

Единица измерения оптической силы – диоптрия (дп).

1 дп – есть оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в 1м.

Радиусы кривизны считаются положительными для собирающей линзы и отрицательными для рассеивающей. Следовательно, оптическая сила рассеивающей линзы меньше нуля (Д<0), а для собирающей – больше нуля (Д>0).

Для построения изображений, получаемых с помощью собирающей линзы мы будем пользоваться тремя видами удобных лучей. Как было показано ранее, параллельные главной оптической оси, преломившись в линзе, проходят через ее фокус. Из обратимости хода лучей следует, что лучи, идущие к линзе через ее фокус, после преломления, пойдут параллельно главной оптической оси. Наконец, лучи, проходящие через оптический центр линзы, не меняют своего направления. Они лишь испытывают параллельное смещение, которое в случае тонкой линзы невелико, и им можно пренебречь.

Пример построения изображения в собирающей линзе изображен на рис. 5.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Линейный размер n изображения определяется по линейному размеру m предмета из следующего соотношения ( рис. ).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (5)

Линейное увеличение, даваемое тонкой линзой можно подсчитать по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (6)

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

На расположенной горизонтально оптической скамье А перемещаются на ползушках линза L, экран Э и осветитель S (рис.6).

В качестве источника света используется осветитель ОИ-19 (лампа накаливания 8 В, 20 Вт). Лампа питается от блока питания БП.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

При работе необходимо, чтобы середины предмета, линзы и экрана лежали на одной прямой, параллельной длине оптической скамьи. Плоскость экрана нужно установить перпендикулярно к длине оптической скамьи, а ось линзы – параллельно.

Оптическая схема осветителя состоит из лампы накаливания, двухлинзового коллектора, диафрагмы и матового стекла М, на котором тушью нанесена сетка или стрелка (предмет). В качестве предмета можно вырезать стрелку в картоне или другом непрозрачном материале вместо матового стекла.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Включите осветитель в сеть и установите требуемую яркость лампы.

2. Поместите экран на достаточно большом расстоянии от предмета.

3. Перемещайте линзу L до тех пор, пока не получите на экране отчетливое изображение предмета (стрелки).

4. Отсчитайте величины а и в по шкале скамьи (или линейкой).

5. Меняя положение ползушки с экраном, подберите вновь соответствующе положение линзы. Измерение повторите не менее трех раз.

6. Вычислите фокусное расстояние линзы по формуле

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

для каждого отдельного измерения и из полученных результатов найдите среднее значение fср.

7. Определите оптическую силу линзы по формуле (4).-

8. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

9. Сделайте выводы.

Таблица 1

Определение главного фокусного расстояния и оптической

силы линзы

§

Микроскоп представляет собой оптическую систему, состоящую из линз: короткофокусной (собирающей линзы) – объектива О1 с фокусным расстоянием fоб и длиннофокусной (собирающей линзы) – окуляра О2 с фокусным расстоянием fок (рис.1)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1

Предмет АВ помещается на предметный столик микроскопа на расстоянии, немного большем fоб . Объектив дает действительное, увеличенное и перевернутое изображение А/ В/, которое оказывается между окуляром и fок. Оно рассматривается в окуляр как в лупу. В результате получается мнимое, увеличенное и перевернутое (относительно предмета) изображение А// В//, находящееся от окуляра на расстоянии L. Это расстояние ясного зрения (для нормального глаза L=25 см).

Изображение А/ В/ в микроскопе находится очень близко к главному фокусу окуляра, а фокусное расстояние объектива очень мало. Ввиду этого с достаточной точностью можно считать Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиl равным расстоянию между верхним фокусом объектива и нижним фокусом окуляра. Это расстояние называется оптической длиной тубуса микроскопа (обычно Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиl = 16 см).

Увеличение микроскопа слагается из увеличения объектива и окуляра. Учитывая формулу линейного увеличения линзы, получим приближенные выражения объектива Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Υоб и окуляра Yок :

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ; Yок= Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Линейное увеличение микроскопа равно:

N = Yоб*Yок = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Объективы обычных микроскопов имеют увеличение от 8х до 90х , а окуляры от 7х до 15х . Поэтому общее увеличение микроскопов лежит в пределах от 56х до1350х. Можно изготовить микроскопы, увеличивающие предмет в несколько тысяч раз. Однако полезное увеличение микроскопа определяется разрешающей способностью микроскопа.

Наименьшее расстояние, при котором две точки предмета еще можно видеть раздельно, называют разрешаемым расстоянием.

Разрешающую способность оптического прибора принято измерять величиной, обратной разрешаемому расстоянию.

Разрешаемое расстояние микроскопа выражается формулой:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где n – показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — длина волны света,

u – апертурный угол.

Произведение n*sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости называется ч и с л о в о й апертурой, которая для микроскопа имеет порядок единицы. Если предмет помещен в иммерсионную жидкость (глицерин с n = 1,47; кедровое масло с n = 1,52) числовая апертура может быть увеличена и станет больше единицы.

I. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Микроскоп – оптический прибор, служащий для получения увеличенных изображений.

Микроскоп состоит из двух частей: механической и оптической. Механическая часть (рис.2) состоит из основания А, колонки тубусодержателя В, тубуса Т, кремальеры с ведущим барашковым колесиком Д. тубус перемещается вдоль оси микроскопа при помощи зубчатой рейки колесиком Д. и микрометрическим винтом М, обеспечивающий грубую и точную подачу тубуса для наводки на резкость изображения. Для удобства наблюдений тубусодержатель может поворачиваться до горизонтального положения вокруг оси О. На предметном столике П с помощью зажима З закрепляются исследуемые объекты (препараты). В центре предметного столика имеется круглое отверстие. Часто на предметном столике укрепляют препаратоводитель.

Сейчас читают:  Как снять коробку на рено логан

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.2.

Барабан микроскопического винта М имеет 50 делений. При повороте на одно деление тубус перемещается на 0,002 мм, что и указано на барабане. Шаг винта Л = 0,002*50 = 0,1 мм.

Оптическая часть состоит из объектива Ооб , окуляра Оок и зеркала S.

Предметы, изучаемые под микроскопом, обычно прозрачные и освещаются пропускаемым через них светом. Свет направляется с помощью плоского зеркала, дающего рассеянный свет, или вогнутого, концентрирующего на объективе большое количество света.

Винтовой окулярный микрометр МОВ 1-15х состоит (рис.3) из кожуха 3, основания 4 с хомутом, который надевается на тубус микроскопа вместо окуляра и закрепляется винтом 5; из окуляра 6 с диоптрийным механизмом и отсчетного приспособления, состоящего из микрометрического винта, который перемещается с помощью отсчетного барабана 1.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3.

В фокальной плоскости винтового окулярного микрометра расположены неподвижная шкала с делениями от 0 до 8 мм и подвижные перекрестия и индекс ( в виде биштриха) – см. рис. 4.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Неподвижная шкала нанесена на пластинке, а подвижные — перекрестие и индекс – на другой пластинке. При вращении микрометрического винта 1 (рис.3), перекрестие и биштрих перемещаются в поле зрения окуляра относительно неподвижной шкалы. Полный оборот винта (шаг винта) равен 1 мм: при повороте винта 1 за накатанную часть барабана на один оборот биштрих и перекрестие в поле зрения окуляра переместятся на одно деление шкалы (неподвижной). Следовательно, неподвижная шкала в поле зрения служит для отсчета полных оборотов барабана винта, т.е. целых миллиметров.

Барабан по окружности разделен на 100 частей, следовательно одно деление барабана равно 0,01 мм и шкала барабана служит для отсчета сотых долей миллиметра.

Полный отсчет по шкале окулярного микрометра складывается из отсчета по неподвижной шкале (целые миллиметра) и отсчета по барабану винта (сотые доли миллиметра). Отсчет по неподвижной шкале снимается с помощью биштриха, считая от нулевого деления шкалы. За целые миллиметры принимается то деление шкалы, на котором расположен биштрих или то деление, которое находится слева от биштриха – если биштрих расположен между делениями.

Отсчет по барабану микрометрического винта производится так же, как и на обычном микрометре: то есть снимается то деление шкалы барабана, которое находится точно против индекса 2 (индекс нанесен на неподвижном цилиндре микрометра).

ПРИМЕР:

Биштрих в поле зрения расположен между делениями «3» и «4» неподвижной шкалы, а по барабану против индекса находится деление 45.

Т.к. биштрих не дошел до деления «4», то отсчет целых миллиметров будет равен 3 мм. А т.к. цена деления барабана равна 0,01 мм, то отсчет по барабану будет 0,01 * 45 = 0,45 мм, следовательно, полный отсчет равен 3 мм 0,45 = 3,45 мм.

II. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ПРИМЕЧАНИЕ: Наденьте винтовой окулярный микрометр на тубус микроскопа до упора, разверните для получения требуемого рабочего положения перекрестия и закрепите винтом 5 (рис.3).

ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ОБЪЕКТИВА

Для определения линейного увеличения объектива микроскопа с помощью окулярного микрометра в качестве объекта применяется объект-микрометр.

Объект-микрометр представляет собой металлическую пластинку, в круглое окошечко которой вставлена стеклянная пластинка с короткой шкалой. Цена деления шкалы 0,01 мм.

1. Установите на столик микроскопа с помощью препаратоводителя объект-микрометр.

2. Установите на резкость изображения перекрестия и шкалы окулярного микрометра с помощью окуляра 6, вращая его за накатанную часть (рис. ).

3. Перемещая тубус микроскопа с помощью кремальерного винта вверх или вниз, сфокусировать на резкость так, чтобы появилось четкое изображение шкалы объект-микрометра (рис.5)

4. Перемещая объект-микрометр по столику микроскопа с помощью препаратоводителя, установите его так, чтобы вся шкала была видна в поле зрения окуляра. Затем, повернув осторожно окулярный винтовой микрометр, предварительно ослабив винт 5 (рис.3), установите обе шкалы параллельно (рис. ).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

5. Вращение барабана по часовой стрелке подведите центр перекрестия на изображение какого-либо штриха шкалы объект-микрометра и произведите отсчет n1 по шкалам окулярного микрометра.

6. Наблюдая в окуляр, вращением барабана переместите перекрестие на несколько делений шкалы объект-микрометра (при этом посчитав число делений – Z), сделайте второй отсчет n2 .

7. Опыт повторите 3 раза с разным значением числа делений (Z=5, 10, 15, 20) шкалы объект-микрометра.

8. Вычислите увеличение объектива по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где n2 – n1 – разность двух отсчетов по шкалам окулярного микрометра,

Z – число делений объективного микрометра, взятых между отсчетами n2 – n1 ,

а — цена деления шкалы объект-микрометра, равная 0,01 мм.

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

Определение увеличения микроскопа

ЗАДАНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МАЛЫХ ТЕЛ

1. Установите на столик микроскопа исследуемый объект (препарат с волосом).

2. Сфокусируйте тубус микроскопа так, чтобы появилось четкое изображение волоса (предмета), затем установите это изображение параллельно линиям биштриха.

3. Наблюдая в окуляр, вращением барабана подведите центр перекрестия до совмещения с левым краем изображения предмета и по шкалам микрометра снимите отсчет m1 .

4. Подведите перекрестие до совмещения с правым краем объекта (предмета) и снимите отсчет m2 .

5. Опыт повторите три раза, снимая отсчеты в различных точках по длине волоса, для чего передвиньте его с помощью препаратоводителя.

6. Результаты измерений запишите в табл. 2.

7. Вычислите размер волоса для каждой пары замеров (отсчетов) по формуле:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где m2 – m1 – разность отсчетов по окулярному микрометру (при измерении толщины волоса),

Yоб – среднее увеличение объектива.

8. Сделайте выводы.

Таблица 2

Определение размера тела

§

Дифракцией света называют отклонение световых волн от прямолинейного распространения.

Она имеет место при прохождении света через малые отверстия или в тех случаях, когда на пути находятся малые непрозрачные препятствия.

Отчетливая картина дифракционная наблюдается тогда, когда на пути распространения света находятся очень мелкие отверстия и препятствия размеров порядка длины световой волны.

Согласно принципа Гюйгенса-Френеля, точки среды, которых достигла в данный момент волна, можно рассматривать как источники образования вторичных (элементарных) волн. Огибающая поверхность вторичных волн будет новым положением волновой поверхности. Вторичные волны когерентны и интерферируют между собой. Наложение когерентных волн (имеющих одинаковую частоту и постоянную разность фаз) создает в определенных точках среды или усилие, или ослабление колебаний. Результат интерференции в данной точке зависит от разности хода лучей (разности между расстояниями от данной точки до источников колебаний).

Если в разности хода лучей Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиl укладывается целое число длин волн (четное число полуволн)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

то будет максимум света.

Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (2)

то будет минимум света, (здесь Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — длина волны, n – 0,1,2,3, …).

Рассмотрим два случая дифракции Фраунгофера (дифракция плоских волн) : дифракцию от узкой щели и дифракцию от двух и многих параллельных шелей.

А. ДИФРАКЦИЯ ОТ УЗКОЙ ЩЕЛИ

Пусть на экран В с узкой прямоугольной щелью падает пучок параллельных монохроматических лучей нормально к экрану (рис.1).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

В данных условиях все точки фронта АВ внутри щели являются центрами когерентных вторичных волн. Лучи, соответствующие этим волнам, отклоняются под различными углами к оси пучка. Все лучи проходящие через щель в первоначальном направлении, собираются линзой в одну точку 0 экрана Э. Это есть нулевой максимум наибольшей яркости. Следует учесть, что линза не вносит дополнительной разности хода между лучами. Поэтому параллельные лучи, собранные линзой в точке сохраняют ту оптическую разность хода, которую они имели до прохождения через линзу.

Параллельные лучи, отклонившиеся во всех точках щели под углом дифракции Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , с помощью линзы L собираются в точке О1 экрана Э, помещенного в ее фокальной плоскости, и при этом интерферируют между собой.

Из точки А спустим перпендикуляр АС на луч, исходящий из точки В. Обозначим разность хода между крайними лучами пучка, собирающегося в точке О1 , через Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиl . Очевидно:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где a – ширина щели.

Разделим фронт волны в щели на зоны (зоны Френеля), так, чтобы разность хода между крайними лучами зоне равнялась половине длины волны Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости При данной ширине «а» щели число таких зон зависит от длины волны Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и от угла Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости наклона лучей, тогда число зон будет:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (3)

В зависимости от соотношения между a , Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости число зон может быть четным или нечетным.

В каждой из двух соседних зон имеются симметрично расположенные лучи с разностью хода Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , которые фокусируясь в точке О1 и интерферируя между собой, взаимно гасятся. В результате через О1 пройдет темная полоса – дифракционный минимум. Очевидно, что такой же дифракционный минимум пройдет через точку О1, симметричную точке О1.

Если при другом угле дифракции φ1 лучей на ширине щели укладывается нечетное число зон, например три зоны Френеля, то лучи зон I и II погасят друг друга, а третья зона остается непогашенной и дает дифракционный максимум, проходящий через точки О2 и О/2, но значительно менее яркий, чем нулевой максимум.

Направления (угол φ) на максимумы определяется условием:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (4)

Направление на минимум определяется условием:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (5)

Освещенность максимумов уменьшается при увеличении угла дифракции лучей (рис. 1,б).

Дифракционная картина, получаемая от одной щели, представляет собой чередование темных и светлых полос, симметрично расположенных по обе стороны от центральной светлой полосы.

Освещенность светлых полос быстро убывает по мере удаления от центральной полосы.

§

Рассмотрим дифракцию от двух щелей. Пусть пучок параллельных монохроматических лучей падает на экран В.

Если за экраном за экраном помещена собирающая линза L, то на экране А, расположенном в фокальной плоскости линзы, возникает дифракционная картина, являющаяся результатом двух процессов: дифракции света от каждой отдельной щели и интерференции света от обеих

щелей.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рассмотрим лучи 1 и 2 /рис.2/.Вследствие дифракции свет от щелей будет распространяться по различным направлениям. Указанные лучи дифрагируют под углом φ с нормалью к решетке. Из рис.2 видно, что разность хода между лучами 1 и 2 равна:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , где а b=d-период. /6/

Собранные линзой L в одну линию (проходящую параллельно щелям через точку Д.), эти лучи проинтерферируют. При разности хода, равной целому числу волн, т.е. при:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

лучи дадут интерференционный максимум.

При разности хода, равной нечетному числу полуволн, т.е. при Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Лучи дадут интерференционный минимум, где n – целые ( положительные и отрицательные) числа натурального ряда (±0,1,2,3,…).

Согласно формуле 7 по обе стороны от центрального максимума, которому соответствует значение n=0, располагаются первые максимумы – правый /n= 1/ и левый /n=-1/, далее располагаются вторые максимумы /n= 2/ и / n=-2/ и т.д. Освещенность Е, различных максимумов неодинакова. Сильнее

всего освещен центральный максимум /n=±1/ и т.д /рис.3/

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) приобретают радужную окраску, причем внутренний край максимумов (по отношению к центральному) станет фиолетовым, а наружный – красным. Между фиолетовым и красным краями максимума располагаются остальные спектральные цвета. В этой связи дифракционные максимумы называются дифракционными спектрами, а число n-порядком спектра. Спектр нулевого порядка остается белым.

При дифракции света от многих параллельных щелей, создается такая же дифракционная картина, как в случае двух щелей.

Картина различается только тем, что максимумы получаются более яркими и узкими, а разделяющие их минимумы- широкими и совершенно темными. Расстояние между соседними максимумами и их яркость возрастают по мере увеличения числа щелей.

Формула /7/, определяющая место положения максимумов при дифракции от двух щелей, остается справедливой и в случае дифракции от многих щелей.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Длина волны монохроматического света может быть определена с помощью дифракционной решетки, которая представляет собой ряд прозрачных узких параллельных щелей одинаковой ширины, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками (рис.4).

Расстояние d называется периодом или постоянной решетки.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4

Дифракционные решетки изготовляют методом нанесения штрихов (царапин) на стеклянной пластинке или металлическом зеркале алмазным резцом. Лучшие дифракционные решетки имеют от 1200 до 1500 штрихов на 1 мм, что соответствует периоду (d) 0,83 – 0,56 мкм.

Внешний вид установки для определения длины световой волны изображен на рис.5.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

На деревянном бруске 1 нанесена шкала с миллиметровыми делениями. По бруску может перемещаться ползушка 2 с вертикальным экраном 3, лапки которой расположены в пазах. Верхняя часть экрана окрашена в черный цвет.

Нуль шкалы расположен посередине экрана. Сантиметровые деления отмечены цифрами вправо и влево от нуля. Над нулевым делением в экране расположено прямоугольное окно с прорезью 4.

Брусок с помощью металлической скобы 5 шарнирно соединен со стержнем 6.Это позволяет закрепить брусок под разными углами с помощью винта 7. Кроме того, брусок может быть поднят или опущен в стойке 9 на необходимую для работы высоту с помощью винта 8. На конце бруска укреплена рамка 10, в зажимы которой вкладывается дифракционная решетка 11.

При освещении белым светом на шкале экрана будут видны спектры, которые симметрично расположены относительно окна так, что фиолетовая часть каждого спектра находится ближе к нулю, чем остальные цвета. Вся картина на экране – совокупность максимумов – носит название дифракционных спектров.

У словие возникновения максимумов света определяется из отношения:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Как видно из рис.4 разность хода лучей геометрически выражается отрезком ВС, тогда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (9)

В прямоугольном треугольнике АВС угол ВАС равен углу Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , тогда разность хода лучей первой и второй щелей:

ВС = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (10)

Из уравнений (9) и (10) , найдем:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

откуда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (11)

Формула (11) является формулой дифракционной решетки. Каждое боковое дифракционное изображение смещено по шкале вправо и влево от нуля на определенное расстояние ОД1 и ОД Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (рис.6).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.6

Обозначим ОД1 = ОД Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = в

На рис. изображены лучи, образующие изображения щели. Из треугольника ОДС:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где l – расстояние от дифракционной решетки до экрана.

Так как угол Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости мал, можно с достаточной точностью заменить Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости на Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкостиКоэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (12)

Подставляя значение Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости в формулу (11), получим:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (13)

Формула (13) является рабочей формулой.

I. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Укрепите брусок 1 на стойке 9 горизонтально, на высоте глаз.

2. Вставьте в рамку 10 дифракционную решетку 11, при этом штрихи должны быть параллельны щели 4.

3. Приблизьте глаз к дифракционной решетке и направьте прибор на источник света. Тогда на черном фоне по обе стороны от окна 4 (щели) будут видны спектры.

Поверните дифракционную решетку так, чтобы спектры располагались параллельно шкале.

4. Отсчитайте по шкале 3 расстояние «в» от нуля до конца заданного цвета полосы спектра соответствующего порядка по обе стороны от окна 4.

5. Определите по шкале на бруске расстояние l .

6. Внесите результаты измерений в таблицу 1.

7. Определите длину волны по формуле (13).

8. Сделайте выводы.

Таблица 1.

Запись и обработка результатов измерений

№№ Расст. от экрана до диф. решетки
l ,мм
Конец спектра на шкале экрана
в, мм
Пост.диф. решетки
d , мм
Длина волны для цветов 
    
        
Влево Вправо средняя влево вправо средняя 
мм нм мм мн 
1.
 
2.
 
3.
 
 
                      
Ср.                         
               

ПРИМЕЧАНИЕ : 1. Цвет, расстояние l и порядок спектра задается преподавателем.

1. Опыт следует повторить три раза, изменяя расстояние l .

§

Согласно волновой теории видимый свет представляет электромагнитные колебания в области от 380 до 780 нм. Плоская электромагнитная световая волна является поперечной и представляет собой распространение взаимно перпендикулярных колебаний: вектора напряженности электрического поля Е. и вектора напряженности магнитного поля Н, идущих вдоль общей прямой ОV, называемой световым лучом (рис.1). Вектор Е. называется световым вектором, и все рассуждения мы ограничим рассматриванием этого вектора. Наличие вектора Н подразумевается. Таким образом, в процессах распространения света главную роль играют вектор электрической напряженности Е.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.1 Рис.2

Свет, в котором колебания электрического вектора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости происходят во всевозможных направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным (рис.2а). Такой свет излучает солнце, лампы накаливания и т.п.

Свет, в котором колебания электрического вектора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости совершается только в одной плоскости называется линейно- или плоскополяризованным (рис.2б). Можно сказать, что свет излучаемый отдельным атомом, является плоскополяризованным. В этом случае конец электрического вектора в любой точке пространства со временем описывает прямую линию, перпендикулярную плоскости поляризации.

Плоскость, в которой происходит колебания вектора, называется плоскостью световых колебаний или просто плоскостью колебаний (рис.1). Если же конец электрического вектора описывает круг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным. Для простоты будем рассматривать только плоскополяризованный свет.

Перпендикулярная плоскость, в которой колеблется вектор Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , условно названа плоскостью поляризации (рис.1).

Свет может быть также частично поляризован. В этом случае колебания происходят во всевозможных плоскостях, но в одной из плоскостей амплитуда колебаний минимальна (рис.2в).

Методы получения поляризованного света:

А) отражение естественного света от поверхности диэлектрика;

Б) прохождение естественного света через оптически анизотропную среду;

В) прохождение света через вещество, обладающее явлением дихроизма. К таким веществам относится турмалин и герапатит.

ПРИМЕР: естественный свет падает на стеклянную пластинку с показателем преломления n (рис.3), вызывая колебания в атомах и молекулах вещества.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.3

Атомы и молекулы становятся сами излучателями электромагнитных волн (вторичных). Эти вторичные волны излучаются электронами, причем направления их колебаний совпадает с направлением колебаний электрического вектора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости падающей волны. В этом случае отраженный и преломленный лучи частично поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отраженный луч при определенном угле падения будет полностью поляризован, а преломленный луч будет частично поляризован (у преломленного света электрические колебания совершаются преимущественно в плоскости падения).

Угол падения, при котором отраженный луч будет полностью поляризован называется углом полной поляризации.

Угол полной поляризации Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости зависит от относительного показателя преломления отражающей среды.

В случае , если Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости > Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и, когда выполняется условие Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , наблюдается полная линейная поляризация отраженного света. Согласно закона преломления Sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости / Sin Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = n . Тогда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = n

и, наконец tg Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости = n . Это соотношение выражает закон Брюстера.

Угол = 90 – это угол между отраженным и преломленным лучами. Значение Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости различны для различных сред.

Большое практическое применение имеет, поляризация получаемая при прохождении света через кристаллы, обладающими анизотропией. Анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в разных направлениях различны. Анизотропной средой являются, например, кристаллы кварца и исландского шпата. Эти кристаллы обладают невысокой степенью симметрии.

Бартолини в 1670 г. наблюдал раздвоение луча света при прохождении его через кристалл исландского шпата (одна из разновидностей СаСО). Это явление называется двойным лучепреломлением (рис.4).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.4.

1 02 – оптическая ось кристалла, сечение МО1NО2 – главное сечение кристалла или главная плоскость. Это сечение происходит через оптическую ось.

Естественный луч АВ разделяется в кристалле на два луча: ВД и ВС. Луч ВД называется необыкновенным (е). Луч ВС – обыкновенным (о). Оба луча параллельны друг другу и падающему лучу на поверхность кристалла. Они поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и обладают одинаковыми интенсивностями. Показатель преломления кристалла ne для необыкновенного луча зависит от направления распространяющегося луча (ne = с/Ve ≠ const) и, следовательно, в различных направлениях необыкновенный луч в кристалле распространяется с различными скоростями Ve ≠ const .

Кристаллы называются одноосными, а направление, вдоль которого нет двойного лучепреломления Vo=Ve , принято называть оптической осью кристалла. Оптическая ось кристалла представляет собой определенное направление в кристалле. Колебания вектора Е необыкновенного луча совершаются в главной плоскости кристалла. Обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью Vo = const , и следовательно, показатель преломления есть величина постоянная, т.е. no = c / Vo = const, c – скорость света в вакууме. Благодаря различию показателя преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, они претерпевают в кристалле неодинаковое преломление. Двойное лучепреломление наблюдается в турмалине и в поляроиде (поляризационные фильтры). Поляроид – это прозрачная полимерная пленка толщиной около 0,1 мм, содержит, например, множество мелких кристалликов герапатита (сульфат йодистого хинина). В анизотропном кристалле поглощение света будет зависеть от ориентации плоскости поляризации, т.е. обыкновенный и необыкновенный лучи будут поглощаться в разной степени.

Это явление называется дихроизмом. Особенно это заметно в кристалле турмалина обыкновенные лучи полностью поглощаются при толщине пластинки около 1 мм, а необыкновенные лучи проходят. Такая пластинка называется поляризатором. Однако надо учитывать, что турмалин в определенной области длин волн заметно поглощает и необыкновенный луч.

Обыкновенный и необыкновенный лучи выходят из кристалла под очень малым углом друг к другу, что затрудняет их раздельное использование. Чтобы «развести» эти лучи, пользуются различными «поляризующими призмами». Наиболее распространенной является призма Николя (рис.5). Из исландского шпата вырезаются две призмы, которые склеиваются канадским бальзамом по линии АС. Показатель преломления этого клея (n = 1,550) лежит между показателями преломления исландского шпата для обыкновенного (nо = 1,658) и необыкновенного (ne) лучей (минимальное значение ne = 1,486).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.5

Световая волна в данной призме разделяется на две плоскополяризованные волны, содержащие почти по 50% падающей энергии.

Обыкновенный луч падает на поверхность бальзама под углом больше предельного и испытывает полное внутренне отражение.

Необыкновенный луч проходит через призму без заметного ослабления. Обыкновенный луч, отразившись от границы шпат-бальзам, поглощается зачерненной гранью СЕ. Призма Николя используется и как поляризатор и как анализатор плоскополяризованного света.

В 1811г. Араго впервые обнаружил явления вращения плоскости колебаний поляризованного луча. Вещества, обладающие способностью вращать плоскость колебаний поляризованного луча, называют оптически активным. При прохождении поляризованного луча через оптически активное вещество R плоскость колебаний Q поворачивается вокруг луча на угол Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (рис.6).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.6

К оптически активным веществам относятся ряд твердых тел (кварц, сахар и др) и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и т.д.).

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу) называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость против часовой стрелки – левовращающими. При этом величина вращения в обоих случаях при прочих равных условиях одинакова.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковыми скоростями Vл и Vn . Плоскополяризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. Если Vл = Vn, то в веществе распространялся плоскополяризованный луч со скоростью V = Vл= Vn .

На рисунке 7а обозначены Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1 – световой вектор левой составляющей, Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 – правой. РР – направление результирующего вектора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Если Vл ≠ Vn , то по мере прохождения через вещество один из векторов, например Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1 , будет отставать при вращении от вектора Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 (рис.7б).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.7

Вектор Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости2 повернут вправо на больший угол, чем вектор Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости1. При сложении этих векторов плоскость колебаний с результирующим вектором Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости повернется вправо на угол Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , и займет положение АА. Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекулы или же асимметричным размещением атомов в кристалле.

На основе опытов проведенных Био в 1831 г., установлено:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (1)

где l – длина кюветы, С – концентрация вещества, Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — постоянная вращения для данного вещества для длины волны 589 нм и при температуре 20 С; зависит от длины волны (приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны).

Следует отметить, что постоянная вращения практически не зависит от агрегатного состояния вещества.

Подобные опыты лежат в основе метода определения концентрации оптически активного вещества при измерении угла вращения плоскости поляризации. Метод имеет многочисленные приложения. В частности, им пользуются для нахождения концентрации сахара в биологических объектах (кровь, моча). Конечно, такие измерения должны проводить в санитарных условиях (λ = const, to = const), спектральной области, далеко от собственных полос поглощения исследуемого вещества, т. к. в противном случае наблюдается некоторые аномалии. Угол поворота плоскости поляризации Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости можно измерить с большей точностью (погрешность измерения 0,01).

Для достижения такой точности используют дополнительные устройства (полутеневые анализаторы), в которых измерения угла вращения проводят уравнением двух (или трех) частей пол зрения.

§

Принцип действия прибора основан на использовании способности оптически активных веществ, вращать плоскость поляризации. Угол поворота плоскости поляризации зависит от свойств оптически активного вещества, толщены его слоя, температуры и концентрации раствора и длины волны света, проходящего через раствор.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.8

Прибор (рис.8) конструктивно выполнен в виде трубки В, укрепленной на стойке А.

В трубку В вставляется с исследуемой жидкостью. Все оптические детали, сосредоточены в трубке В. Окуляр, имеет диоптрическую подвижку, что позволяет устанавливать его по главу наблюдателя.

Оптическая схема поляриметр П – 161 и 829 приведена на рис.9.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.9

Световой поток, отражаясь от зеркала 1, проходит через оранжевый светофильтр 2, поляризатор 3, кварцевую пластинку 4, защитное стекло 5, кювету 6 с испытуемой жидкостью, анализатор 7, объектив 8 и попадает в окуляр 9. Лупа 11 служит для рассматривания шкалы, расположенной за защитным стеклом 10.

Светофильтр 2 пропускает весьма узкий интервал длин волн, что позволяет при измерениях пользоваться как дневным, так и электрическим светом. Необходимая освещенность поля зрения достигается поворотом зеркала 1.

В поле зрения оранжевого цвета видны границы кварцевой пластинки (рис.10). Вид тройного поля зависит от положения нониуса шкалы:

А) нониус находится в крайнем левом положении,

Б) нулевое положение,

В) нониус находится в крайнем правом положении.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис. 10

Определение нулевого отсчета производят без кюветы или с кюветой, наполненной водой.

Вращением муфты производится установка на резкость градусной шкалы и нониуса (рис. 11).

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Рис.11

На неподвижном лимбе вправо и влево от нуля нанесены 20 делений (верхняя шкала рис.11). Цена одного деления лимба – 1. В плоскости лимба на подвижной втулке имеются два нониуса – левый и правый. Каждый нониус разделен на 10 делений (нижняя шкала рис.11). Точность отсчета 0,1.

Вращением муфты окуляра 1 (рис.8) производится установка на резкость изображений линий раздела тройного поля наблюдаемого в окуляр. После этого вращением анализатора 3 (рис.8) добиваются равномерного затемнения тройного поля зрения, т.е. нулевого положения (рис. 10 б).

Если нулевой штрих нониуса при установке на равномерное затемнение оказался относительно нулевого штриха лимба смещенным по часовой стрелке, то поправка на «0» приписывается знак ( ), если против часовой стрелки – знак (-). Сначала нужно установить, на сколько полных градусов нулевой штрих нониуса (нижняя шкала) сдвинут относительно основной шкалы (верхняя шкала) вправо или влево (рис.11), затем отметить, какой по счету штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы. Полученное число показывает десятые доли градуса, которые нужно прибавить к ранее найденному числу целых градусов. Если точного совпадения штрихов шкалы и нониуса не происходит, то определяются половинные величины десятых долей градуса (0,05).

ПРИМЕР. Нулевой штрих нониуса лежит вправо от нулевого штриха между 1 и 2 . Седьмой штрих нониуса совпадает со штрихом основной шкалы. Следовательно, отсчет равен 1,7 (рис. 11).

I. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1. Определение концентрации раствора сахара на поляриметре (модели П-161 и 829).

1. Установите прибор перед источником света и поворачивая осветительное зеркало 4 (рис.9), направьте свет в прибор. Добейтесь максимальный и равномерной освещенности поля зрения.

2. Вращением муфт 1 окуляра и муфты 2 отсчетной лупы (рис.8) установите на резкость линии раздела поля зрения (рис.10) и шкалу анализатора (рис.11).

3. Поворотом анализатора 3 (рис.8) добейтесь получения одинаковой освещенности во всех частях поля зрения (рис. 10б). Сделайте отсчет Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости (нулевая установка). Отсчет должен быть близким к нулю. Затем сбить положение анализатора (поворачивая его влево или вправо) и вновь добиться получения одинаковой освещенности. Снять отсчет. Опыт повторить не менее 3-5 раз. Средняя величина из 3-5 отсчетов являются нулевым отсчетом прибора или поправкой на «0».

4. Поместите кювету В с раствором сахара в трубку Б прибора (рис.8) и повторите пункт 3. Сделайте отсчет Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

6. Определите концентрацию раствора сахара по формуле:

С = 2 ( Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости ) % (1)

7. Сделайте выводы.

Таблица 1

§

Поглощение (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в теплоту и другие виды энергии. Это происходит одновременно с рассеянием света. Рассеяние света происходит в средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу.

Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (1)

где J и J – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя вещества толщиной d; a — коэффициент поглощения зависящий от длины волны l света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света. При Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости интенсивность света J по сравнению с J уменьшается в «е» раз (т.е. » 2,72 приблизительно в три раза).

Показатель поглощения характеризуется поглощательную способность вещества.

Постепенное убывание интенсивности света при прохождении через среду вследствие рассеяния также подчиняется закону Бугера, формула (1) которого с учетом поглощения и рассеяния принимает вид:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (2)

где — s — показатель ослабления света вследствие рассеяния.

Исследования поглощения монохроматического света растворами окрашенных веществ (при условии, что расворитель не поглощает света данной длины волны и раствор имеет невысокую концентрацию). Бер показал, что оно также подчиняется закону Бугера.

Закон Бера гласит:

«показатель поглощения a прямо пропорционален концентрации вещества в растворе:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , (3)

где х – показатель поглощения для раствора единичной концентрации». Для разных веществ зная (3) и (1) имеем:

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — закон Бугера-Бера (4)

или в системе десятичных логарифмов

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости , где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости .

Отношение Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — называют коэффициентом пропускания или прозрачностью, а величину Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — оптической плотностью. Учитывая выше приведенную формулу оптическая плотность раствора

D = xcd (5)

где D – оптическая плотность,

с – концентрация вещества,

х – коэффициент экстинкции х = 0,434х.

На практике закон Бугера-Бера выполняется в некоторых пределах, концентрации (до значения оптической плотности D=0,3 до D=1,5. Эти условия подбирают, изменяя концентрацию или длину оптического пути (толщину кюветы).

Оптическая плотность раствора зависит от длины волны измеряемого света и не зависит от его интенсивности. Кривая выражающая эту зависимость называется спектром поглощения.

II. Описание экспериментальной установки (СФ-26)

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости Спектрофотометр предназначен для измерения коэффициента пропускания жидких и твердых веществ в области спектра от 186 до 110 Нм.

Спектрофотометр состоит из монопроматора с измерительным прибором 2, кюветного отделения 3, камеры 4 с фотоприемниками и усилителем и осветителя 5 с источниками излучения и стабилизатором.

Основной частью монохоматора является призма которая поворачивает при вращении рукоятки 6 одновременно происходит перемещение школы 7 длин волн. Раскрытие входной и выходной щелей осуществляется с помощью рукоятки 8. Щели открываются в пределах от 0,01 до 2 мм.

В спектрофотометре используются два источника сплошного спектра: дейтериевая лампа для работы в области спектра от 186 до 350 нм и лампа накаливания для работы в области спектра от 340 до 1100 нм. Смена источников излучения производится в диапазоне от 340 до 350 нм путем переключения зеркального конденсатора рукояткой 9.

Кюветное отделение 3 предназначено для установки измеряемых и контрольных образцов (образцов сравнения). Для крепления плоских твердых образцов в кюветном отделении служит держатель с четырьмя окнами и пружинами, позволяющий устанавливать и измерять пропускание образцов толщиной от 0,5 до 2 мм, шириной от 8 до 15 мм.

Для исследования жидкостей используются прямоугольные кюветы из кварцевого стекла для слоя жидкости толщиной 10 мм. Кюветы помещаются в держатель с четырьмя гнездами. Держатели твердых образцов и прямоугольных кювет устанавливаются в каретку стороной с белой точкой к оператору, предельно близко к выходному окну монохрометра. Каретка с образцами перемещается с помощью рукоятки 10 и может фиксироваться в четырех положения: «1», «2», «3», и «4», соответствующих четырем кюветам.

Измерение коэффициентов пропускания образцов производится при плотно закрытой крышке кюветного отделения.

Переключение элементов производится с помощью рукоятки 11. если рукоятка находится в положении «Ф», в схему включен сурьмяно-цезиевой фотоэлемент, и в положении «К» в схему включен кислородно-цизиевой фотоэлемент.

В камере 4 находится осушительный патрон с силикагелем. Шкалы измерительного прибора 2, оцифрованные в процентах пропускания Т и единицах оптической плотности Д.

На основании расположены сигнальная лампа 12 и тумблер сеть: сигнальная лампа 13 (Д), показывающая включение дейнгерневой лампы; сигнальная лампа 14 (Н), показывающая включение лампы накаливания, рукоятка 15 включения регистров компенсации при растяжке 10-процентного диапазона на всю шкалу, имеющая 10 положений, обеспечивающих работу в диапазонах коэффициентов пропускания от 110 до 100, 100-90…. от 10-0; рукоятка 16 отсчет для выбора шкалы измерений, имеющая четыре положения. Положение «х1» рукоятки «отсчет» используется для измерения в диапазоне от 100 до 0; положение «х0,1» используется для растяжки 10-процентного диапазона на всю шкалу измерительного прибора при включенном компенсаторе; положение калибр используется для установки 100-процентного отсчета при работе с сильно поглощающими образцами. В этом случае измерения проводят с более широкими щелями для усиления светового потока, положение «х0,01» используется для измерения образцов с пропусканием меньше 10% для растяжки одного процента из диапазона от 0 до 10% в 100 раз на всю шкалу измерительного прибора (растяжка одного процента из диапазона от 2 до 10% производится при включенном компенсаторе).

На передней стенке камеры 4 расположена рукоятка 17 шторки, рукоятка 18 установки нуля, рукоятка 19 установки чувствительности.

Установка нуля осуществляется потенциометром с двойной регулировкой (грубой и тонкой), поэтому необходимо пользоваться им с большой осторожностью, не прилагая усилий.

Панель стабилизатора показана на рис. 2.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Ось 1 резистора для регулировки разрядного тока, ось 2 резистора для регулировки рабочего тока накала дейтериевой лампы, тумблер 3 и клеммы 4 для включения амперметра в цепь стабилизатора при установке разрядного тока и для включения амперметра в цепь накала дейтериевой лампы при установке рабочего тока накала лампы, предохранитель 5, клемма 6 для заземления и сетевая розетка 7.

III. Порядок выполнения работы

1. Приготовьте раствор сыворочного альбумина (яичного альбумина или пепсина) в воде, имеющий концентрацию 5 мг/мл.

2. Измерить оптическую плотность раствора при 280 ммк в кварцевых прямоугольных кюветах, которая должна быть равна ~ 0,5. При разведении раствора пользоваться формулой D = с e l.

3. Установите в рабочее положение фотоэлемент и источник излучения, соответствующие выбранному спектральному диапазону измерений.

4. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ЗАКР., и рукояткой 8 установите ширину щели примерно 0,1 мм..

5. Включите тумблер СЕТЬ, должна загореться сигнальная лампа СЕТЬ и сигнальная лампа D или сигнальная лампа Н в соответствии с выбранным источником (стабильная работа СФ-26) или другого спектрофотометра после включения в течение 1 часа).

6. Для включения после лампы накаливания дейтериевой лампы переключите конденсор рукояткой 9; после минутного прогрева лампа автоматически загорается, одновременно загорается и соответствующая индикаторная лампа.

7. Установите требуемую длину волны, вращая рукоятку 6 в сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите к требуемому делению.

8. Поставьте рукоятку 19 в положение «1» (рабочее положение). Если поток излучения недостаточен измеряемый и контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положении КАЛИБР или «х0,01» рукоятку 16 рукоятку 19 установите также в одно положение «2», «3», «4».

9. Установите на пути потока излучения контрольный образец, перемещая каретку 10.

10. При отсутствии образца сравнения величина потока, проходящего через свободное окно держатся фильтров, принимается за 100% пропускания.

11. Установите стрелку измерительного прибора на нуль рукояткой 18 НУЛЬ.

12. Откройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ОТКР.

13. Установите стрелку измерительного прибора на деление «100%», вращая рукоятку 8 механизма изменения ширины щели.

14. Установите в рабочее положение измеряемой образец, перемещая каретку рукояткой 10, и снимите отсчет по шкале оптической плотности D через каждые 5 нм в интервале 220-320 нм.

15. Выведите из потока излучения измеряемый образец и введите контрольный образец при этом стрелка измерительного прибора должна вернуться к делению «100%».

16. Данные эксперимента занесите в таблицу 1.

17. Постройте кривую спектра поглощения, откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат оптическую плотность раствора сывороточного альбумина.

Таблица 1

§

II. Краткие теоретические сведения.

Исследуя спектры поглощения можно производить количественный анализ смеси двух или нескольких веществ. Для данного анализа необходимо определить величину оптической плотности при двух или при нескольких длин волн

Оптическая плотность равна смеси равна сумме оптических плотностей компонентов:

Д = Да Дв; тогда

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

Решая совместно вышеуказанные уравнения, получим выражение для концентрации веществ А (тирозин) и В (триптофан):

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости и Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

где Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — оптическая плотность смеси при двух длинах волн l1 и l2;

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости — молекулярные коэффициенты экстинкции тирозина и триптофана соответственно при тех же длинах волн;

Са и Св – молекулярные концентрации тирозина и триптофана соответственно.

Длины волн, при которых производятся измерения, выбираются так, чтобы при l1, поглощая преимущественно тирозин. А при l2 – триптофан. Точность определения тем больше, чем больше различие молекулярных коэффициентов экстинкции определяемых веществ при каждой из этих двух длин волн. Это условие выполняется в большинстве случаев, если длины волн l1 и l2 соответствуют максимумам поглощения компонентов.

III. Порядок выполнения работы

1. Приготовить раствор яичного белка в концентрации 2 мг/мл в 0,1 Н растворе NaOH.

2. Установите рукоятку 11 в работе положения «Ф» в схеме включен (сурьмяно-цезиевый фотоэлемент) и рукоятку 9 в положение «Д» (включения дейтериевая лампа).

3. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ЗАКР., и рукоятный 8 установите ширину щели примерно 0,1 мм.

4. Включите тумблер СЕТЬ, должна загореться сигнальная лампа Д (стабильная работа СФ-26 после включения в течение 1 часа).

5. При переключении ламп, после минутного прогрева лампы автоматически загораются и одновременно загорается соответствующая индикаторная лампа.

6. Установите требуемую длину волны (270 нм), вращая рукоятку 6 сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите к требуемому делению.

7. Поставьте рукоятку 19 в положение «1» (рабочее положение). Если поток излучения недостаточен и измеряемый контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положение КАЛИБР или «´0,01» рукоятки 16 рукоятку 19 установите также в одно положение «2», «3», «4».

8. Установите на пути потока излучения контрольный образец, перемещая каретку 10. При отсутствии образца сравнения величина потока, проходящего через свободное окно держателя фильтров, принимается за 100% пропускания.

9. Установите рукоятку 16 в положение «1».

10. Установите стрелку измерительного прибора на нуль рукояткой 18 НУЛЬ.

11. Откройте фотоэлемент, поставив рукоятку 17 шторки в положение ОТКР.

12. Установите стрелку измерительного прибора на деление «100%», вращая рукоятку 8 механизма изменения ширины щели.

13. Установите в рабочее положение изменяемый образец, перемещая каретку рукояткой 10, и снимите отсчет по шкале оптической плотности Д при длинах волн 270 и 300 нм. Данные занесите в таблицу 1.

14. Выведите из потока излучения измеряемый образец и введите контрольный образец при этом стрелка измерительного прибора должна вернуться к делению «100%».

15. Рассчитайте по уравнениям (1) и (2) содержание тирозина и триптофана в белке.

Таблица 1

Закладка Постоянная ссылка.
1 ЗвездаНельзя так писать о ЛоганеЧто-то о новом Логане так себе написаноЛоган - супер машинаРено Логан лучше всех! (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...