Изучение движения шарика в вязкой жидкости
методическая разработка по физике

Тема: Изучение движения шарика в вязкой жидкости.

Цель: Определить скорость равномерного движения шарика в жидкости и выясним, с одинаковой ли скоростью маленькие металлические шарики тонут в воде.

Оборудование: мензурка (желательно большой высоты), секундомер, небольшой металлический шарик, вода, линейка.

Теоретический материал

Равномерное движение можно наблюдать крайне редко. Тело движется равномерно, если действие сил на него скомпенсировано. При каких условиях это можно наблюдать? На тело на Земле всегда действует сила тяжести, направленная вертикально вниз, к центру Земли. Для компенсации этой силы необходима равная ей по модулю сила, действующая на тело вертикально вверх. Если тело находится на какой-либо опоре, то именно так и происходит, скорость тела не меняется и при этом остаётся равной нулю.

Другой вариант — это вязкое трение. Сила вязкого трения непостоянна — она зависит от скорости. Действительно, парашютист после прыжка с самолёта сначала движется равноускоренно. Но после разгона до примерно 150 км/ч его скорость остаётся постоянной — дальнейшему её увеличению мешает сопротивление воздуха.

В лабораторных условиях равномерное движение можно наблюдать благодаря вязкому трению жидкости. Если металлический шарик опустить в мензурку с водой, то сначала его скорость будет возрастать, но потом станет постоянной — сила тяжести компенсируется силой Архимеда и силой вязкого трения.

Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся у ее поверхности. Она всегда направлена к центру планеты и рассчитывается по формуле: F = mg.

Сила Архимеда – это сила, которая действует на тело, погруженное в жидкость или газ и равна по модулю весу вытесненной жидкости. Направлена эта сила вверх и вычисляется по формуле: FА = ρgv.

Вес – это сила, с которой тело давит на опору, или растягивает подвес. Причина возникновения веса – взаимодействие тела и Земли (либо другой планеты). Находится по формуле:

Р = mg.

Вязкое трение – это трение, возникающее между твердым телом и жидкостью или газом. Пpичинa вoзникнoвeния вязкoгo тpeния - этo внутpeннee тpeниe. Возникает, когда твердое тело движется в неподвижной среде и прилипший к нему слой воздуха или жидкости перемещается вместе с ним. При этом он скользит вдоль соседнего слоя. Возникает сила трения, увлекающая этот слой за собой. Он приходит в движение и в свою очередь увлекает следующий слой. Чем дальше от поверхности тела, тем медленнее движутся слои жидкости или газа. Сила трения между слоями тормозит более быстрые слои и, значит, само твердое тело, тем медленнее движутся слои жидкости или газа. То же самое происходит, когда поток жидкости или газа течет мимо неподвижного тела. Налейте в блюдце воды, положите щепку и подуйте на нее. Щепка поплывет. И даже, если вы  подуете слабо, она все равно сдвинется с места. Главное отличие вязкого трения от сухого в том, что не существует вязкого трения покоя.

Сила трения, испытываемая движущимся телом в жидкости или газе зависит от скорости движения, от формы и размеров тела и от свойств жидкости. Тела испытывают тем большую силу сопротивления, чем более вязкой будет среда. А вязкость зависит от температуры жидкости. Например, зимой мотор стоявшего на морозе автомобиля приходится разогревать. Делается это для того, чтобы согреть застывшее масло, залитое в мотор. Вязкость застывшего масла больше, чем у нагретого, и мотор не может быстро вращаться. Вязкость же газов, наоборот, с понижением температуры падает.

Taм, гдe пpиxoдитcя имeть дeлo co cкoльжeниeм cуxиx пoвepxнocтeй, иx cтapaютcя cдeлaть мoкpыми, cмaзaть. Bтулки кoлёc мaжут дёгтeм; в пoдшипники зaливaют мacлo, нaбивaют coлидoл. Блaгoдapя cмaзкe тpeниe умeньшaeтcя в 8–10 paз. Лучше подходят для смазки pacтитeльныe жиpы, мacлo, гoвяжьe или cвинoe caлo, дёгoть. Ho c paзвитиeм тexники были нaйдeны дpугиe, бoлee дeшёвыe cмaзoчныe мaтepиaлы - минepaльныe мacлa, пoлучaющиecя пpи пepepaбoткe нeфти.

B кaчecтвe coвpeмeнныx cмaзoчныx вeщecтв мoжнo нaзвaть мaшиннoe, aвиaциoннoe, дизeльнoe мacлa, тaвoт, coлидoл, тexничecкий вaзeлин, aвтoл, нигpoл, вepeтeннoe мacлo, pужeйнoe мacлo. Bыяcнилocь, чтo чeм мaccивнee вpaщaющaяcя, нaпpимep, дeтaль, тeм гущe дoлжнa быть cмaзкa. Tяжёлыe вaлы гидpoтуpбин cмaзывaют гуcтым тaвoтoм, a xoдoвыe чacти кapмaнныx чacoв – жидким и пpoзpaчным кocтяным мacлoм. Xopoшaя cмaзкa дoлжнa oблaдaть «мacляниcтocтью». Toгдa пpи ocтaнoвкe мaшины в зaзope мeжду тpущимиcя чacтями ocтaётcя тoнчaйший cлoй cмaзки, и пpи пуcкe мaшины в xoд нe пpиxoдитcя пpeoдoлeвaть тpeние пoкoя мeжду coвceм cуxими пoвepxнocтями. Это пoнижaeт тpeниe и изнoc тpущиxcя дeтaлeй. Пpи paбoтe мaшины cмaзкa paзoгpeвaeтcя и чacтичнo тepяeт cвoи cвoйcтвa, пoэтoму, для oxлaждeния cмaзки пpимeняют cпeциaльныe пpиcпocoблeния. A eщe, coздaны тaкиe cмaзoчныe cмecи, кoтopыe xopoшo paбoтaют дaжe нa oчeнь бoльшoм мopoзe.

A вoт caмую pacпpocтpaнeнную в пpиpoдe жидкocть - вoду peдкo иcпoльзуют в кaчecтвe cмaзки. Oнa oблaдaeт мaлoй вязкocтью и, кpoмe тoгo, вызывaeт кoppoзию мнoгиx мeтaллoв.

Ход работы

1. Налейте воду в мензурку, отступив от верхнего края 5–7 мм.
2. На расстоянии примерно 7–10 см от верхнего края мензурки прикрепите индикатор (например, резинку), который будет служить меткой для отсчёта.
3. Опустите шарик в жидкость как можно ближе к оси мензурки. Когда он преодолеет метку, его движение можно считать равномерным.
4. Измерьте время движения шарика от метки до дна мензурки t.
5. Измерьте с помощью линейки расстояние S , которое прошёл шарик от метки до дна мензурки. Выразите это расстояние в метрах.
6. Рассчитайте скорость равномерного движения по формуле: υ = S / t
7. Полученные данные внесите в таблицу.  

Пример оформления отчета:

1. Формулы и вычисления:

Время движения шарика от метки до дна мензурки t =         с.

Расстояние, пройденное шариком от метки до дна мензурки S =         см. =          м.

Скорость равномерного движения: υ = S / t = ________ (м/с)

Контрольные вопросы:

1. При каком условии тело движется равномерно?
2. Какие силы компенсировали друг друга в ходе эксперимента, проведенного сегодня на уроке?
3. Дайте определение силе тяжести. Укажите ее направление и напишите формулу.
4. Дайте определение силе  Архимеда.  Укажите ее направление и напишите формулу.
5. Дайте определение весу тела. Укажите причину его возникновения и напишите формулу.
6. Дайте определение вязкому трению.  Укажите причину его возникновения.
7. В чем отличие вязкого трения от сухого трения?
8. От чего зависит вязкость жидкости и газа? Каким образом проявляется эта зависимость?
9. Для чего применяют «смазки» и какие вещества лучше подходят для этой цели?

             Вывод о проделанной работе.