Millikan-kísérlet (4) a viszkozitás változásának figyelembevételével

Auteur :Éder Ottó, Melinda Banko, Éder Ottó

Feladatod az olajcseppek sebességének megmérése elektromos térben és anélkül, majd eredményeid alapján a cseppek töltésének kiszámítása (figyelembe véve a légellenállási állandó hőmérséklettől való függését).

1. feladat

A képernyő bal oldalán az olajcseppek megfigyelésére szolgáló mikroszkóp látóterét figyelheted meg. Indítsd el a szimulációt a vezérlőpanelen található Toolbar Image gombbal! a) Mit tapasztalsz? b) A mikroszkóp lencséjén egy skála található, melynek segítségével megmérhető a csepp sebessége. Hogyan?

2. feladat

A megfelelő jelölőnégyzetet kiválasztva (Erőösszetétel) a mikroszkóp látóterének helyén megjelenik a kísérleti összeállítás rajza. Azonosítsd az olajcseppre ható erőket! a) Mit jelöl a sárga nyíl (? b) Mit jelöl a lila nyíl ()? Milyen irányú? c) A feszültséget bekapcsolva (válaszd a megfelelő jelölőnégyzetet) a vektorábrán megjelenik egy piros nyíl is (. Mit jelöl a piros nyíl? d) Mit mondhatunk a cseppre ható erőkről, és hogyan mozog az olajcsepp a rá ható erők hatására?

3. feladat

Indítsd újra a szimulációt a Szimuláció újraindítása gomb megnyomásával és kapcsold ki a feszültséget a megfelelő jelölőnégyzet segítségével! (Ha változtattál a feszültség értékén a csúszka segítségével, állítsd az értékét -210 V-ra a kikapcsolás előtt!) Indítsd el a szimulációt a Toolbar Image gombbal! a) Kapcsold be a feszültséget és figyeld meg, mi történik! Magyarázd meg a látottakat! b) Mit kell tenned, ha lejátszáskor szeretnéd megfordítani az olajcsepp mozgását? c) Hogy tudod az olajcsepp mozgását felgyorsítani? d) Próbáld ki, meg tudod-e állítani az olajcsepp mozgását!

4. feladat

Add meg az erők nagyságát! a) Hogyan számíthatjuk ki az olajcseppre ható gravitációs erő nagyságát a csepp R sugarának és ρ_o sűrűségének ismeretében, ha a cseppet gömb alakúnak tekintjük? b) Hogyan számíthatjuk ki az olajcseppre ható felhajtóerő nagyságát? c) Hogyan számíthatjuk ki az nagyságát? d) Mit tanultál a közegellenállási erőről? Hogyan számíthatjuk ki az nagyságát? e) Hogyan számíthatjuk ki az nagyságát?

5. feladat

Írd fel a megfelelő összefüggéseket! a) U = 0 esetben a csepp egyenletes v₁ sebességgel süllyedésekor mit mondhatunk a cseppre ható erőkről? Helyettesítsd be az erőkre felírt összefüggéseket! b) Az előző összefüggés alapján add meg a csepp sugarát sebességének és sűrűségének ismeretében! c) U ≠ 0 esetben a csepp egyenletes v₂ sebességgel emelkedésekor mit mondhatunk a cseppre ható erőkről? Helyettesítsd be az erőkre felírt összefüggéseket! d) Add meg ezek alapján a csepp töltését!

6. feladat

Végezz méréseket és számításokat a Felhasználói leírásban ismertetett módon!

Felhasználói leírás

Az adatok beírásánál tizedesvessző helyett pontot használjunk! A mérések alatt (amikor nem állítjuk meg a szimulációt) a hőmérséklet automatikusan emelkedik, 3 percenként 1 °C-ot. A hőmérséklet aktuális értékét egy tizedes pontossággal a program mindig kijelzi. A Szimuláció újraindítása gomb lenyomása után másik olajcseppel dolgozhatunk (de a táblázatba beírt értékeink megmaradnak). A Mérés újraindítása gomb lenyomásával az eddigi táblázatbeli értékek törlődnek, a szimuláció is újraindul, a hőmérséklet értéke ismételten 20 °C lesz, és lehetőségünk van más olajcseppekre is elvégezni a mérést és a számításokat. Fontos, hogy egy adott méréssorozat során ugyanazzal a cseppel végezzük a méréseket, így ne indítsuk újra sem a mérést, sem a szimulációt! A sebességméréseknél a méréseket hosszabb utakat választva és lassabb cseppekre végezzük el (nem túl nagy feszültségértékeket választva)! A program csak a pontos mérések eredményét változtatja zöld színűre. Ha a mért sebességérték piros színnel jelenik meg a táblázatban, akkor mérésünk pontatlan. Ekkor vagy újramérjük a sebességet, vagy az általunk mért értékkel tovább számolunk. A mérés menete: 1. 1.1. Írjuk be a táblázatba a hőmérséklet aktuális értékét (T)! 1.2. A Viszkozitás jelölőnégyzetet kiválasztva olvassuk le az

grafikonról az adott hőmérséklethez (tized °C-hoz) tartozó viszkozitás minél pontosabb értékét, majd írjuk be a táblázatba! Pontos leolvasás esetén a beírt

-érték zöld színűre, egyéb esetben piros színűre változik. 1.3. A Viszkozitáshoz tartozó jelölőnégyzetre kattintva (a pipát kiszedve) térjünk vissza a mikroszkóp lencséjéhez! 2. 2.1. Indítsuk el a szimulációt a gombbal és várjuk meg, míg a csepp a mikroszkóp lencséjének beosztása előtt mozog! 2.2. Válasszunk ki két tetszőleges beosztást, amelyek között a csepp mozgását figyelni szeretnénk! Mérjük meg, mennyi idő alatt teszi meg a csepp a választott két beosztás közti távolságot! A két beosztás s távolságának és a közben eltelt időnek hányadosaként kapjuk a csepp v₁ sebességét. Írjuk be a táblázatba a v₁értékét három tizedes pontossággal! (A vékonyabb vonalak egymástól való távolsága 0,1 mm-nek felel meg, így két vastagabb vonal távolsága 0,5 mm.) 3. Állítsuk be a méréshez használandó feszültség értékét és előjelét (a megfelelő jelölőnégyzet és csúszka segítségével) úgy, hogy az olajcsepp felfelé mozogjon a mikroszkóp lencséjének beosztása előtt, majd írjuk be előjeles értékét a táblázatba! (Megállapodunk abban, hogy csak felfelé haladó cseppekre végezzük el a mérést, hogy számításaink során v₂ értékeinél az előjelek használatától eltekinthessünk.) 4. Ismételjük meg a csepp sebességének mérését a 2.2. pontban ismertetett módon, és írjuk be a táblázatba a csepp v₂ sebességének értékét három tizedes pontossággal! Értelemszerűen mérés előtt a megfelelő gomb megnyomásával az időmérőt nullázzuk! 5. Számítsuk ki a kapott v₁ és v₂ ,valamint a beállított U értékekkel a csepp töltését, és írjuk be a táblázatba a kapott eredményt egy tizedes pontossággal! A kapott töltések

átlagértékét a táblázat felett láthatjuk. 6. Végezzük el a mérést és a számításokat más feszültségértékek beállításával is, figyelembe véve a hőmérséklet változását is! A levegő sűrűsége is hőmérséklettől függő érték, de értékének változása a számítások során az eredményeket nem módosítja, így értékét állandónak vesszük. Az olaj(cseppek) sűrűsége is hőmérséklettől függetlennek tekinthető. A számításoknál használt állandók értékei:

Az olaj(cseppek) sűrűsége:
A levegő sűrűsége:
A nehézségi gyorsulás:
A kondenzátorlemezek távolsága: