3528

Исследование движения тел в диссипативой средде

Лабораторная работа

Физика

Исследование движения тел в диссипативой средде Цель работы Исследование процессов рассеяния энергии в диссипативной системе на примере измерения скорости движения тела в жидкой среде, определение основных характеристик диссипативной системы. ПРИБОР...

Русский

2012-11-03

57.5 KB

62 чел.

Исследование движения тел в диссипативой средде

Цель работы

Исследование процессов рассеяния энергии в диссипативной системе на примере измерения скорости движения тела в жидкой среде, определение основных характеристик диссипативной системы.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Цилиндрический сосуд со шкалой, содержащий исследуемую вязкую жидкость; пять свинцовых шариков, имеющих плотность большую, чем плотность жидкости; секундомер; масштабная линейка; весы.

 

ЭСКИЗ ИЛИ СХЕМА УСТАНОВКИ (с кратким описанием работы макета)

В работе используется цилиндрический сосуд (рис. 1), на котором нанесены метки. Измеряя расстояние между метками и время падения шарика в жидкости, можно определить скорость его падения. Шарик опускается в жидкость через впускной патрубок, расположенный в крышке цилиндра.

 

 

 

 

 

 

 

ИССЛЕДУЕМЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

 

Сила сопротивления движению в вязкой среде. В вязкой среде на движущееся тело действует сила сопротивления, направленная против скорости тела. При небольших скоростях (существенно меньших скорости распространения звуковых волн в данной среде) эта сила обусловлена вязким трением между слоями среды и пропорциональна скорости тела

,

где v – скорость движения тела, r – коэффициент сопротивления, зависящий от формы, размеров тела и от вязкости среды h.

Для шара радиуса R коэффициент сопротивления определяется формулой Стокса

.

При движении тела в вязкой среде происходит рассеяние (диссипация) его кинетической энергии. Слои жидкости, находящиеся на разном расстоянии от движущегося тела имеют различную скорость. Слой жидкости, находящийся в непосредственной близости от поверхности движущегося тела, имеет ту же скорость, что и тело, по мере удаления скорость частиц жидкости уменьшается. В этом состоит явление вязкого трения, в результате которого энергия тела передается слоям окружающей среды в направлении, перпендикулярном движению тела.

Движение тела в диссипативной среде. Движение тела массой m под действием постоянной силы F при наличии сопротивления среды описывается следующим уравнением:

.

В данной работе тело движется под действием силы тяжести, уменьшенной в результате действия выталкивающей силы Архимеда, т.е.

,

где rс и rт – плотности среды и тела, соответственно. Таким образом, уравнение движения преобразуется к виду

.

Если начальная скорость движения тела равна нулю, то равна нулю и сила сопротивления, поэтому начальное ускорение

.

С увеличением скорости сила сопротивления возрастает, ускорение уменьшается, обращаясь в нуль при равенстве движущей силы и силы сопротивления. Дальше тело движется равномерно с установившейся скоростью v¥ (теоретически для достижения установившейся скорости требуется бесконечно большое время)

.

Аналитическое решение уравнения движения при нулевой начальной скорости выражается формулой

,

где t - время релаксации. Соответствующая зависимость скорости движения тела в диссипативной среде от времени представлена на рис. 2.

Рис. 2

 

Время релаксации t можно определить различным образом. Например, из графика на рис. 2 следует, что если бы тело двигалось все время равноускоренно с ускорением, равным начальному ускорению a0 , то оно достигло бы установившейся скорости за время, равное t.

Превращение энергии в диссипативной системе.

Полная энергия движущегося тела в произвольный момент времени определяется выражением

,

где h – высота расположения тела над дном сосуда. В установившемся режиме

.

Передача энергии жидкой среде, окружающей движущееся тело, происходит за счет совершения работы против сил трения. Энергия при этом превращается в тепло, идет процесс диссипации энергии. Скорость диссипации энергии (мощность потерь) в установившемся режиме

.

Учитывая, что m / t = r, получим уравнение баланса энергии на участке установившегося движения

.

 

Указания по выполнению наблюдений

  1.  Масштабной линейкой измерить расстояние Dh между средней и нижней меткой на боковой поверхности сосуда.
  2.  На аналитических весах взвесить поочередно 5 шариков, и записать массу каждого шарика в таблицу Протокола наблюдений.
  3.  Поочередно опуская шарики в жидкость через впускной патрубок, измерить секундомером время прохождения каждым шариком расстояния между двумя метками на боковой поверхности сосуда. Результаты записать в таблицу Протокола наблюдений.
  4.  На панели макета установки указаны значения плотности жидкости в сосуде и плотности материала шариков. Эти данные также следует записать в Протокол наблюдений.

 

Задание на подготовку к работе

  1.  Выполните индивидуальное домашнее задание №2
  2.  Изучите описание лабораторной работы.
  3.  Выведите формулу для определения коэффициента сопротивления r , полагая что известно значение установившейся скорости v¥. Выведите также формулу погрешности Dr.
  4.  Выведите формулу для определения коэффициента вязкости h на основе рассчитанного коэффициент сопротивления r, массы и плотности материала шариков.
  5.  Подготовьте бланк Протокола наблюдений, основываясь на содержании раздела «Указания по проведению наблюдений». Разработайте и занесите в бланк Протокола наблюдений таблицу результатов наблюдений.

 

Задание по обработке результатов

  1.  По данным таблицы результатов наблюдений определите значения установившихся скоростей шариков. Рассчитайте значения коэффициентов сопротивления r для каждого опыта и инструментальную погрешность полученных результатов.
  2.  Определите коэффициент вязкости h исследуемой жидкости. Найдите его среднее значения и погрешность полученного результата.
  3.  Промежуточные вычисления и окончательные результаты, полученные в п. 1, 2 сведите в таблицу.
  4.  Для одного из опытов определите мощность рассеяния и проверьте баланс энергии на участке установившегося движения.
  5.  Также для одного из опытов найдите время релаксации t, постройте графики скорости и ускорения от времени.
  6.  Результаты, полученные в п. 3 и 4, следует округлить, основываясь на значениях погрешностей величин, рассчитанных ранее.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54580. З Новим роком! 103.5 KB
  Принц Рік новий вже так близенько Кілька днів всього пройде. Принц Рік новий не за горами Крок за кроком і прийде. Але поки разом з нами Рік старий.
54581. Уроки вдохновения 3.3 MB
  Если вспомнить сколько существует всякой путаницы недоумений всевозможных толкований вокруг метода Константина Сергеевича получившего название метода физических действий сколько было опубликовано неясных изложений этого метода его ближайшими учениками и помощниками последних лет жизни то невольно радуешься тому что почти стенографическое изложение репетиций Станиславского по этому методу становится нашим общим достоянием. Эти ленинские слова из беседы с Кларой Цеткин можно поставить эпиграфом к бессмертному учению Константина...
54582. Предложение. Закон предложения. Факторы, влияющие на предложение 25.07 KB
  Величина предложения – это максимальное количество товаров и услуг, которое производители (продавцы) способны и готовы продать по определенной цене, в определенном месте и в определенное время.
54583. Новогоднее «Кривое зеркало» 62 KB
  Будут Снегурочка и Дед Мороз Он вам подарков немало привез. Огого Народуто сколько И что это они собрались Всех Дед Мороз пригласил Может я не сюда попала Во ктото идет. Дед Мороз вбегает кидается к сидящим в зале хватает их ошибается заглядывает под стулья лезет по рядам сам в очках снимает их заглядывает близко в глаза Снегурочка Внученька Где ты Ты нет опять не она. Где же ты Снегурочка Вечно она куда нибудь теряется убегает Снегурочка Ушел Вот достал дедуля Пора появится А я может быть занята...
54584. Новорічні пригоди 55 KB
  Учитель. Сьогодні наша школа перетворюється в казковий край: всюди прикраси, зустрічі з казковими та літературними героями і неодмінно - з Дідом Морозом та Снігуронькою. Обов язкова прикмета свята - красуня ялинка,запах мандарин, новорічні подарунки, пісні та танці. І все це– на нашому уроці!
54585. Новорічні сценарії 109.5 KB
  Неповторний колорит новорічної атмосфери: красуняялинка різнокольорові вогні феєрверки численні подарунки відчуття свята загадковості і передчуття чуда А малеча ще й з нетерпінням чекає появи Діда Мороза і Снігуроньки бо саме з їхньою появою приходить відчуття свята і таємниці. Але проходить час і Дід Мороз у дитячій уяві перестає бути реальною особою йому більше не пишуть листів із заповітними бажаннями від нього вже не чекають подарунків він стає просто атрибутом свята хоч і обов’язковим. І хоча в кожному...
54586. Новый год настает! Новый год у порога нашей планеты! 48 KB
  Новый год настает Новый год у порога нашей планеты Ученик 1: Скоро Новый год З.Орлова Скоро скоро Новый год Он торопится идет Постучится в двери к нам: Дети здравствуйте я к вам Праздник мы встречаем Елку наряжаем Вешаем игрушки Шарики хлопушки. Дед Мороз ну где ты Учитель: Новый Год самый загадочный праздник открывающий нам мир добрых сказок и волшебства. Одни встречают Новый Год дома в семейном кругу другие выезжают на природу в зимний лес а я предлагаю вам отправиться сегодня в незабываемое новогоднее путешествие в...
54587. Информационные процессы. Конспект урока по информатике 8 класс 68 KB
  Требования к знаниям и умениям: Знать: Информационные процессы; Виды памяти; Передача информации; Обработка информации. Уметь: Приводить примеры ситуаций являющихся источником информации приёмником информации; Приводить различные примеры процесса обработки информации. Что такое информация для человека Назовите некоторые источники получения информации.
54588. Новые педагогические технологии на уроках иностранного языка 92.5 KB
  Попрежнему основными трудностями являются недостаток активной устной практики в расчете на каждого ученика группы отсутствие необходимой индивидуализации и дифференциации обучения. Учитывая специфику предмета иностранный язык эти технологии могут обеспечить необходимые условия для активизации познавательной и речевой деятельности каждого ученика группы предоставляя каждому ученику возможность осознать осмыслить новый языковой материал получить достаточную устную практику для формирования необходимых навыков и умений. Если в таких...