bài giảng tài liệu thực hành môn vật lý đại cương: phần 2

nội dung phần 2 của tập bài giảng trình bày các thí nghiệm vật lý về xác định hệ số sức căng mặt ngoài của chất lỏng, xác định hệ số nhớt của chất lỏng theo phương pháp stốc, xác định tỷ số nhiệt dung phân tử của chất khí, đo suất điện động của nguồn điện bằng mạch xung đối, xác định bước sóng ánh sáng bằng giao thoa cho hệ vân tròn niutơn, khảo sát hiện tượng quang điện ngoài và xác định hằng số plăng, khảo sát sự nhiễu xạ của chùm laser qua cách tử phẳng xác định bước sóng của laser.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
bài giảng tài liệu thực hành môn vật lý đại cương: phần 2Bài 6XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NHỚT CỦA CHẤT LỎNGTHEO PHƯƠNG PHÁP STỐC1. Mục đích yêu cầu1.1. Mục đíchMục đích của bài thí nghiệm này là trang bị cho sinh viên những kiến thứcvà kỹ năng thực nghiệm cần thiết để xác định hệ số nhớt của chất lỏng theophương pháp Stốc.1.2. Yêu cầui. Nắm được cơ sở lý thuyết của thí nghiệm;ii. Nắm được cấu tạo và hoạt động của thiết bị thí nghiệm dùng để xác định hệsố nhớt của chất lỏng theo phương pháp Stốc;iii. Biết cách tiến hành thí nghiệm nhằm xác định hệ số nhớt của chất lỏng theophương pháp Stốc;iv. Viết được báo cáo thí nghiệm, tính được các sai số theo yêu cầu.2. Cơ sở lý thuyếtXét chuyển động của một chất lỏng trong một ống hình trụ theo phươngsong song với trục Ox của ống. Nếu vận tốc chuyển động của chất lỏng khôngquá lớn, ta có thể xem như dòng chất lỏng được phân chia thành nhiều lớp mỏngchuyển động với vận tốc v có độ lớn thay đổi như biểu diễn trên hình 3.21.Hình 3.21. Chuyển động của chất lỏng73Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do ở mặt tiếp xúc giữa các lớp chất lỏngxuất hiện các lực nội ma sát có tác dụng cản trở chuyển động tương đối của chúng.Nguyên nhân của lực nội ma sát trong chất lỏng là do đâu? Cấu tạo phântử của các chất lỏng vừa có những nét giống với chất rắn, vừa có những nét giốngvới chất khí: mật độ phân tử trong chất lỏng rất lớn, gần giống như trong chất rắn,nhưng trong chất lỏng mỗi phân tử lại không có một vị trí cố định như trong chấtrắn mà nó có thể di chuyển tương đối dễ dàng, gần giống như trong chất khí. Dođó, trạng thái lỏng có những tính chất rất phức tạp. Cho đến nay người ta vẫn chưaxây dựng được một lý thuyết hoàn chỉnh về các chất lỏng. Trong số các lý thuyếtvề chất lỏng, lý thuyết do nhà vật lý Nga Ia. I. Frenkel đề xướng cho phép giải thíchđược nhiều tính chất của chất lỏng. Theo lý thuyết này, phân tử chất lỏng langthang trong toàn thể tích của chất lỏng giống như một người du mục. Thỉnhthoảng nó dừng lại và dao động xung quanh một một vị trí cân bằng nào đó (tại vịtrí cân bằng này thế năng của phân tử đạt cực tiểu địa phương). Sau một thời gian,do va chạm với các phân tử khác, phân tử có thể nhận được một động năng đủ lớngiúp nó rời bỏ vị trí cân bằng này, bỏ đi để rồi tìm đến một vị trí cân bằng mới. Nódao động xung quanh vị trí ấy một thời gian rồi lại tiếp tục bỏ đi nơi khác… Mỗiphân tử chất lỏng tương tác khá mạnh với các phân tử láng giềng và lực tương táclà lực hút, nhưng lực tương tác này giảm khá nhanh theo khoảng cách. Dựa trên lýthuyết này, có thể nêu ra hai nguyên nhân chính dẫn đến lực nội ma sát của chất lỏng.Nguyên nhân thứ nhất là do sự trao đổi động lượng của các phân tử giữa cáclớp chất lỏng có vận tốc định hướng khác nhau. Trong một dòng chất lỏng, cácphân tử chất lỏng tham gia đồng thời hai chuyển động: chuyển động có hướng vàchuyển động nhiệt hỗn loạn. Kết quả là luôn có sự trao đổi các phân tử giữa các lớpchất lỏng. Các phân tử của lớp nhanh khi chuyển sang lớp chậm sẽ tương tác vớicác phân tử của lớp chậm và truyền bớt động lượng cho các phân tử đó, làm tăngvận tốc định hướng của lớp chậm. Tương tự, các phân tử của lớp chậm khi chuyểnsang lớp nhanh sẽ làm giảm vận tốc định hướng của lớp nhanh.Nguyên nhân thứ hai là do sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng ở lân cậnbiên phân cách giữa hai lớp chất lỏng. Theo lý thuyết Frenkel, mỗi một phân tửchất lỏng chịu sức hút của các phân tử lân cận có bên trong phạm vi một mặt cầubán kính r gọi là mặt cầu tương tác phân tử (còn r gọi là bán kính tương tác phântử). Do tương tác đó, mỗi phân tử ở gần biên phân cách của lớp này sẽ bị hút bởi74các phân tử có bên trong mặt cầu tương tác phân tử nhưng thuộc lớp kia, làm cảntrở chuyển động tương đối giữa hai lớp, tức là dẫn đến ma sát giữa hai lớp.Thực nghiệm chứng tỏ trị số của lực nội ma sát Fms giữa hai lớp chất lỏngcó vận tốc định hướng là v và v + dv, nằm cách nhau một khoảng dz dọc theophương Oz, tỷ lệ với gradien vận tốcdv(tức độ biến thiên của trị số vận tốc trêndzmỗi đơn vị dài) theo phương Oz và tỷ lệ với độ lớn của diện tích mặt tiếp xúcS giữa hai lớp chất lỏng chuyển động tương đối với nhau:Fms  dvSdz(3.40)Hệ số tỷ lệ  gọi là hệ số nhớt của chất lỏng. Trị số của  phụ thuộc bảnchất của chất lỏng và giảm khi nhiệt độ tăng. Đơn vị đo của  là kg/ms.Giả sử nếu một viên bi nhỏ bán kính r rơi thẳng đứng với vận tốc v trongkhối chất lỏng, thì lớp chất lỏng bám dính vào mặt ngoài viên bi cũng chuyểnđộng với cùng vận tốc v. Do tác dụng của lực nội ma sát, lớp chất lỏng này sẽkéo các lớp khác nằm gần nó chuyển động theo. Thực nghiệm chứng tỏ trênkhoảng cách2rtính từ mặt ngoài viên bi ra xa nó, vận tốc của các lớp chất lỏng3có trị số giảm dần từ v đến 0 (hình 3.22).2r3zvxHình 3.22. Vận tốc chất lỏngKhi đó gradien vận tốc theo phương Oz bằng:dv v  0 3v2rdz2r3(3.41)Theo công thức (3.40), lực nội ma sát giữa ...