Демонстрационный учебный эксперимент для изучения законов Стокса

В качестве наглядного примера рассмотрим изготовление трех устройств, наиболее часто встречающихся в методической литературе (Рис. 6).



Рис. 6. Устройства самодельных приборов: а) капельница; б) сливной сосуд для опытов с ведерком Архимеда; в) прибор, демонстрирующий зависимость атмосферного давления от высоты [11].

Итак, первое устройство является капельницей (Рис. 6, а), частота капель которой не зависит от высоты воды до момента, пока уровень воды не сравняется с нижним концом вертикальной трубки. Капельница изготовляется из двугорлой банки, оба конца отверстия которой затыкают пробками со вставленными трубками, при этом правая трубка изогнута и и ее конец оттянут.
Второе устройство (Рис. 6, б) представляет собой сливной сосуд в опытах с ведерком Архимеда. Он изготовляется из пластиковой бутылки, например из-под шампуня, с удаленным дном. Далее, в горловину вставляется пробка с трубкой, изогнутой в соответствии с профилем бутылки.
Третий прибор используется в опытах для демонстрации зависимости атмосферного давления от высоты. Его изготовляют из банки или колбы, горло которой закрывают пробкой с двумя трубками. Одна из трубок имеет Г-образную форму, а на другой надет кусок шланга с зажимом. Для ввода капли в подкрашенной жидкости в горизонтальную часть трубки, необходимо через шланг отсосать воздух. После того, как капля достигла середины колена, шланг зажимают. Если прибор поднять на высоту 1-1,5 м, то капля сместится из-за разницы давлений вне и внутри банки.
Данные примеры показывают, что при изготовлении самодельных приборов приходится сталкиваться с резкой. изгибанием и оттяжкой концов стеклянных трубок.
Изготовление деталей из металла и дерева лучше проводить в столярных мастерских, поскольку наличие современной электронно-вычислительной техники исключает дополнительные вибрации и запыленность в помещении лаборатории.
При окончательной отделке прибора, а именно: покраске корпуса, изготовлению шкал, нанесение меток и надписей необходимо придерживаться стандартов технической эстетики. Так, цвет окраски корпуса прибора должна соответствовать фону, на котором прибор предполагается демонстрировать. Вспомогательные детали не следует окрашивать слишком ярко, чтобы не отвлекать внимания учеников.
Поверхность шкал должна быть матовой, однотонной, желательной белой. Надписи должны выполняться чертежным шрифтом, по правилам оформления чертежей.

2.2. Методика и техника демонстрационного эксперимента для изучения закона Стокса
Для определения вязкости жидкости используются несколько методов: метод капиллярной вискозиметрией, основанный на измерении скорости жидкости в капиллярах; ротационная вискозиметрия, в которой исследуемое вещество помещается между вращающихся коаксиальных цилиндров; вибрационные методы - например по измерению поглощения звуков или ультразвуковых волн; условные методы – например, по скорости или времени истечения жидкости из воронки с калиброванным отверстием.
Метод Стокса основывается на измерении силы внутреннего трения , действующей на движущийся шарик в жидкости, тормозящей его движение (Рис. 7).



Рис. 7. Схема опыта Стокса.


Согласно уравнению Стокса, сила внутреннего трения равна:

(1)

где - вязкость жидкости; - радиус шарика; - скорость шарика.
При свободном падении шарика в вязкой жидкости на него действует сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда, равная весу жидкости в объеме шарика, , где - плотность шарика; - плотность жидкости; - объем шарика.
Запишем второй закон Ньютона:

(2)

Решая уравнение (2), получаем:

(3)

Cкорость шарика в начале экспоненциально убывает, а затем достигает постоянного значения:

(4)

Зная расстояние между метками в сосуде и время , за которое шарик проходит это расстояние, можно определить скорость . Тогда, из уравнения находим:

(5)

Учитывая поправочный коэффициент , где - радиус цилиндра; - высота жидкости в цилиндре, с учетом влияния стенок и дна цилиндра на падение шарика.
Таким образом, окончательно получаем:

(6)

Cледовательно, для определения вязкости жидкости необходимо измерить cследующие параметры: .
Далее необходимо провести следующие расчеты:
1. Рассчитать средние значения времени спуска шариков различных диаметров.
2. С помощью формулы (6) вычислить коэффициенты вязкости для шариков разных диаметров.
3. Вычислить среднее значение вязкости для всех шариков.
4. Определить значения коэффициентов кинематической вязкости согласно следующей формуле:

(7)

Измерения диаметра шариков , внутреннего диаметра прибора Стокса производится посредством штангенциркуля. Исходя из проделанных измерений, определяют радиусы шарика и цилиндра .

2.3 Создание цифрового виртуального симулятора для прогнозирования расчетов по закону Стокса
Цель лабораторной работы является изучение законов движения тела в вязкой жидкости и экспериментальное определение коэффициентов вязкости жидкости.
Экспериментальная установка (Рис.8) по измерению вязкости жидкости включает следующие элементы:
1. цилиндрический сосуд с глицерином;
2. свинцовый шарик;
3. верхнюю метку;
4. нижнюю метку;
5. секундомер;
6. сантиметровая лента;
7. микрометр.



Рис. 8. Схема экспериментальной установки для изучения определения вязкости жидкости методом Стокса [12].

В окне виртуального симулятора (Рис. 9) нажатием левой кнопкой мышки выбирается шарик определенного размера, диаметр которого определяется посредством микрометра


Рис. 9. Виртуальный симулятор для определения коэффициента жидкости [12].

Далее шарик опускается в жидкость. С помощью сантиметровой ленты измеряется расстояние между метками. Затем нажатием кнопки пуск запускается виртуальный секундомер, с помощью которого измеряется время прохождения расстояния шарика от верхней метки до нижней.
Измерения времени спуска шариков проводится несколько раз (не менее трех) при разных расстояниях между метками.
Полученные значения заносятся в таблицу экспериментальных данных.






Таблица экспериментальных данных
. г/cм3 11,43 Диаметр шарика , мм , г/cм3 1,26 , мм , мм , c , мм , c

, мм , c
, c Динамическая вязкость , кг/м·с Кинематическая вязкость , м2/с

Итак, в этой главе были описаны основные требования, предъявляемые к оборудованию, используемого для проведения физических экспериментов.
Также была описана методика проведения эксперимента по определению вязкости жидкости на основе закона Стокса.
Указанный метод состоит в определении скорости падения шарика в вязкой жидкости при известных расстоянии, проходимого шариком, и времени падения . Далее, на основе скорости шарика, вычисляется динамическая и кинематическая вязкость жидкости.
Также рассмотрена виртуальная лабораторная работа по определению вязкости жидкости методом Стокса.



Заключение
В настоящее время методика проведения демонстрационного физического эксперимента переживает бурное развития. Наряду с классическими опытами, в технику демонстрационного эксперимента активно внедряются современные информационные технологии и виртуальные лабораторные работы.
Последние, хотя и способствуют повышению эффективности демонстрационного эксперимента, не могут полностью заменить классический физический эксперимент.
Для того, чтобы задача демонстрационного эксперимента была выполнена, необходимо соблюдать необходимые условия проведения эксперимента:
1. Экспериментальная установка должна быть видна всем учащимся, независимо от того, какое место они занимают в классе или аудитории;
2. Для этого детали установки должны иметь определенные размеры: не менее 3-4 мм в ширину и 20 мм в длину;
3. Демонстрационный эксперимент должен быть визуально эффективный;
4. Установка, используемая для эксперимента, должна быть достаточно проста, а сам ход опыта понятен учащимся.
Методика определения вязкости жидкости методом Стокса основана на вычислении скорости падения шарика диаметра в вязкой жидкости по пройденному расстоянии и времени падения . Затем вычисляются динамическая и кинематическая вязкости жидкости.
Изучение закона Стокса удобно проводить с помощью виртуального симулятора, где можно самостоятельно задать основные параметры, необходимые для вычисления скорости падения свинцового шарика.
На основе полученного значения скорости определяются динамическая и кинематическая вязкость жидкости.

Список литературы
1. Скиданенко Д.А. Система демонстрационного эксперимента по теме «Законы постоянного тока» : выпускная классификационная работа: 44.03.05 / Скиданенко Дмитрий Андреевич. – Челябинск, 2018. – С. 7-11.
2. Роль физического эксперимента в преподавании физики [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: http://school160.edusite.ru/docs/teatchers/demina/rol.pdf (дата обращения 23.03.2021).
3. Круткина М.В. Роль демонстрационного эксперимента в изучении физики // Региональное образование в ХХI: проблем и перспективы. – 2017. - № 1. – С. 20-21.
4. Карабасова Г.Б. Требование к демонстрационным опытам и совершенствование оборудования учебного демонстрационного эксперимента // Молодой ученый. – 2014. - № 17 (76). – С. 19-21.
5. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе / Под ред. А.А. Покровского. – М.: «Просвещение». – 1978. – С. 11–12.
6. Демонстрационные опыты по физике: пособие для учителей / Под ред. А.А. Покровского. - Т.11. – Москва. – 1971. – С. 366–370.
7. Плосков В.А. Исследования путей совершенствования школьного эксперимента по физике // В.А. Плосков. –Москва. - 1979. - 230с.
8. Нельзин А.Е., Оспенников Н.А. Демонстрационный эксперимент в условиях ИКТ-насыщенной среды //Вестник ПГПУ. - Информационные компьютерные технологии в образовании. – 2009. – Вып. 5. – С. 2-6.
9. Программно-методические материалы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://zhurnal.lib.ru/img/s/sumarokow_s/vawe_theoretic/image002.gif (дата обращения 23.03.2021).
10. Курс электричества и магнетизма [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mediadidaktika.ru/course/view.php?id=17https://reshak.ru/otvet/reshebniki.php?otvet=lab/9&predmet=per9https://docviewer.yandex.ru/view/634315162/? (дата обращения 23.03. 2021).
11. Смирнов А.В. Оборудование школьного физического кабинета: учебное пособие для студентов педагогических ВУЗов / А.В. Смирнов. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://books.google.ru/books?id=L8QUEAAAQBAJ&pg=SA4-PA140&lpg=SA4- (дата обращения 23.03. 2021).
12. Виртуальная лабораторная работа № 2. Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sunspire.ru/products/physics2d/ (дата обращения 23.03. 2021).
















6