Тема 2. Тема 2

матеріал 8

Лабораторна робота № 3. Визначення в’язкості рідини методом Стокса

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 84. Лабораторна робота № 3. Визначення в’язкості рідини методом Стокса

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи відповідно до мети і гіпотези дослідження [12 ПРО 1.3.1]
створює і аналізує самостійно або у співпраці з іншими моделі об’єктів і явищ, які необхідно дослідити [12 ПРО 1.4.1]
опрацьовує та аналізує самостійно або у співпраці з іншими результати дослідження [12 ПРО 1.5.1]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12 ПРО 1.6.3]
добирає самостійно або у співпраці з іншими форми подання інформації і її перетворення [12 ПРО 2.2.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
пропонує варіанти організації роботи групи: розподілення обов’язків, налагодження комунікації для розв’язання навчальної/життєвої проблеми [12 ПРО 4.4.1]

Мета уроку: визначити динамічну в’язкість рідини методом Стокса, дослідити рух кульки у в’язкому середовищі, навчитися вимірювати термінальну швидкість падіння тіла в рідині та проаналізувати умови застосування формули Стокса.

Очікувані результати для вчителя:

учень пояснює, що таке в’язкість і яка її роль у рухові тіл у рідинах;
знає умови застосування формули Стокса;
визначає швидкість руху кульки та обчислює в’язкість за формулою Стокса;
порівнює отримане значення з табличним;
вміює робити висновки.

Очікувані результати для учнівства:

учень розуміє фізичний зміст в’язкості та закон Стокса;
вимірює швидкість падіння кульки у в’язкій рідині;
застосовує формулу Стокса для визначення динамічної в’язкості;
аналізує вплив сил, що діють на тіло в рідині;
робить обґрунтований висновок.

Ключові слова:

в’язкість
сила Стокса
ламінарний рух
сила Архімеда
сила тяжіння
кулька
рідина

Обладнання:

прозора висока скляна або пластикова трубка/циліндр (30-40 см)
кульки (сталеві або скляні) діаметром 3-6 мм
лінійка, секундомір
термометр
маркер
олія або гліцерин як досліджувана рідина
таблиця густин матеріалів
штатив або підставка

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів
Висновок
Контрольні запитання

1. Теоретична частина

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв

Зв’яжіть теоретичні знання з практичним застосуванням у лабораторній роботі

Під час руху твердих тіл у рідинах на них діють сили, що залежать від властивостей середовища. Однією з найважливіших характеристик рідини є її динамічна в’язкість, яка визначає, наскільки рідина чинить опір рухові тіла. Чим більш в’язка рідина, тим повільніше рухається в ній предмет.

Для повільного руху малих сферичних кульок у в’язких рідинах діє закон Стокса, який встановлює залежність сили опору від радіуса кульки, її швидкості та в’язкості середовища. Це дозволяє експериментально визначати в’язкість рідини, спостерігаючи встановлену швидкість падіння кульки.

Сили, що діють на кульку радіуса r, яка падає в рідині:

сила тяжіння:

виштовхувальна сила Архімеда:

(1) $\begin{equation*}V = \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot r^3\end{equation*}$

сила в’язкого опору (закон Стокса):

(2) $\begin{equation*}F_c = 6 \cdot \pi \cdot \eta \cdot r \cdot v\end{equation*}$

де ρ_к – густина кульки, кг/м³, р – густина рідини, кг/м³, V – об’єм кульки, м³, динамічна в’язкість, Пас, v – швидкість руху кульки, м/с, .

Через деякий час кулька рухається рівномірно – сили врівноважені:

Підставляємо:

Формула для визначення в’язкості

Швидкість руху кульки:

(3) $\begin{equation*}v = \frac{l}{t}\end{equation*}$

де l – відстань, яку проходить кулька, м, t— час руху кульки, с.

2. Хід роботи

Дружня порада вчителю

Тривалість: 5 хв

Перед початком роботи переконайтеся, що всі учні розуміють кожен крок.

Продемонструйте правильні техніки вимірювання.

Акцентуйте увагу на важливості правильного округлення результатів.

Забезпечте індивідуальну допомогу учням, які цього потребують.

Навчіть учнів акуратно та охайно оформлювати результати вимірювань.

Підготовка до експерименту

Заповнити циліндр досліджуваною рідиною (олія або гліцерин).
Виміряти температуру рідини термометром.
Нанести маркером дві позначки на циліндрі: верхню та нижню (інтервал 10-15 см).
Виміряти відстань між позначками l:

Виміряти діаметр кульки d лінійкою та обчислити радіус r:

Дізнатися густину матеріалу кульки к (див. таблицю 1):

Таблиця 1 Густина твердих тіл

Речовина	Густина, кг/м³
Сталь	7700-7900
Залізо	7800
Мідь	8900
Алюміній	2700
Латунь	8400-8700
Свинець	11300
Скло (звичайне)	2400-2600
Кераміка	2200-2600
Акрил (оргскло)	1180
Мармур	2600-2800
Графіт	2200

Дізнатися густину рідини р (див. таблицю 2):

Таблиця 2 Густина рідин

Рідина	Густина, кг/м³
Вода	1000
Етиловий спирт	790
Гліцерин	1250-1260
Соняшникова олія	910-930
Мед (рідкий)	1350-1450
Моторна олива	860-900

Акуратно кинути кульку по осі циліндра.
Увімкнути секундомір, коли кулька проходить верхню позначку.
Зупинити секундомір, коли кулька перетне нижню позначку. Повторити вимірювання 3 рази та знайти середнє значення t_сер:

Обчислити середню швидкість v:

Обчислити в’язкість :

3. Обробка результатів

Дружня порада вчителю

Тривалість: 5 хв

Заповнити таблицю:

t_сер, c	l, м	v, м/с	r, м	к, кг/м³	р, кг/м³	, Па·с

4. Висновок

Дружня порада вчителю

Тривалість: 5 хв

У висновку необхідно вказати отримане значення динамічної в’язкості рідини та порівняти його з табличним значенням для виміряної температури. Слід оцінити, чи збігаються результати, та пояснити можливі причини розбіжностей.

5. Контрольні запитання

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв.

Запитання спрямовані на перевірку розуміння учнями ключових понять та їх застосування.

Чому під час падіння кулька набуває сталого значення швидкості?
Як впливає густина кульки на швидкість її руху в рідині?
Чому важливо проводити кілька вимірювань часу?
Як зміниться в’язкість рідини, якщо температура збільшиться?
Чому кулька повинна рухатися саме посередині циліндра?

У вільний від відпочинку час

Дружня порада вчителю

Обговоріть зміст відео на наступному уроці.

Продивитись відео з теми за посиланням

https://youtu.be/V2d3EJSoiGE?si=hO-EkyB2xfBEKyU5

Відео

Обговоріть зміст відео на наступному уроці

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 84. Лабораторна робота № 3. Визначення в’язкості рідини методом Стокса

Очікувані результати навчання

Мета уроку: визначити динамічну в’язкість рідини методом Стокса, дослідити рух кульки у в’язкому середовищі, навчитися вимірювати термінальну швидкість падіння тіла в рідині та проаналізувати умови застосування формули Стокса.

Очікувані результати для учнівства:

учень розуміє фізичний зміст в’язкості та закон Стокса;
вимірює швидкість падіння кульки у в’язкій рідині;
застосовує формулу Стокса для визначення динамічної в’язкості;
аналізує вплив сил, що діють на тіло в рідині;
робить обґрунтований висновок.

Ключові слова:

в’язкість
сила Стокса
ламінарний рух
сила Архімеда
сила тяжіння
кулька
рідина

Обладнання:

прозора висока скляна або пластикова трубка/циліндр (30-40 см)
кульки (сталеві або скляні) діаметром 3-6 мм
лінійка, секундомір
термометр
маркер
олія або гліцерин як досліджувана рідина
таблиця густин матеріалів
штатив або підставка

План уроку:

Теоретична частина
Хід роботи
Обробка результатів
Висновок
Контрольні запитання

1. Теоретична частина

Під час руху твердих тіл у рідинах на них діють сили, що залежать від властивостей середовища. Однією з найважливіших характеристик рідини є її динамічна в’язкість, яка визначає, наскільки рідина чинить опір рухові тіла. Чим більш в’язка рідина, тим повільніше рухається в ній предмет.

Для повільного руху малих сферичних кульок у в’язких рідинах діє закон Стокса, який встановлює залежність сили опору від радіуса кульки, її швидкості та в’язкості середовища. Це дозволяє експериментально визначати в’язкість рідини, спостерігаючи встановлену швидкість падіння кульки.

Сили, що діють на кульку радіуса r, яка падає в рідині:

сила тяжіння:

виштовхувальна сила Архімеда:

(4) $\begin{equation*}V = \frac{4}{3} \cdot \pi \cdot r^3\end{equation*}$

сила в’язкого опору (закон Стокса):

(5) $\begin{equation*}F_c = 6 \cdot \pi \cdot \eta \cdot r \cdot v\end{equation*}$

де ρ_к – густина кульки, кг/м³, р – густина рідини, кг/м³, V – об’єм кульки, м³, динамічна в’язкість, Пас, v – швидкість руху кульки, м/с, .

Через деякий час кулька рухається рівномірно – сили врівноважені:

Підставляємо:

Формула для визначення в’язкості

Швидкість руху кульки:

(6) $\begin{equation*}v = \frac{l}{t}\end{equation*}$

де l – відстань, яку проходить кулька, м, t— час руху кульки, с.

2. Хід роботи

Підготовка до експерименту

Заповнити циліндр досліджуваною рідиною (олія або гліцерин).
Виміряти температуру рідини термометром.
Нанести маркером дві позначки на циліндрі: верхню та нижню (інтервал 10-15 см).
Виміряти відстань між позначками l:

Виміряти діаметр кульки d лінійкою та обчислити радіус r:

Дізнатися густину матеріалу кульки к (див. таблицю 1):

Таблиця 1 Густина твердих тіл

Речовина	Густина, кг/м³
Сталь	7700-7900
Залізо	7800
Мідь	8900
Алюміній	2700
Латунь	8400-8700
Свинець	11300
Скло (звичайне)	2400-2600
Кераміка	2200-2600
Акрил (оргскло)	1180
Мармур	2600-2800
Графіт	2200

Дізнатися густину рідини р (див. таблицю 2):

Таблиця 2 Густина рідин

Рідина	Густина, кг/м³
Вода	1000
Етиловий спирт	790
Гліцерин	1250-1260
Соняшникова олія	910-930
Мед (рідкий)	1350-1450
Моторна олива	860-900

Акуратно кинути кульку по осі циліндра.
Увімкнути секундомір, коли кулька проходить верхню позначку.
Зупинити секундомір, коли кулька перетне нижню позначку. Повторити вимірювання 3 рази та знайти середнє значення t_сер:

Обчислити середню швидкість v:

Обчислити в’язкість :

3. Обробка результатів

Заповнити таблицю:

t_сер, c	l, м	v, м/с	r, м	к, кг/м³	р, кг/м³	, Па·с

4. Висновок

У висновку необхідно вказати отримане значення динамічної в’язкості рідини та порівняти його з табличним значенням для виміряної температури. Слід оцінити, чи збігаються результати, та пояснити можливі причини розбіжностей.