Леонтева Сборник лабораторныкх работ по физике Молекулярная физика 2015

Установка для измерений изображена на рис. 4.8. Наполненный водой аспиратор А соединён резиновыми трубками с микромано- метром М и пробиркой П, в которую налита исследуемая жидкость.

Рис. 4.8

Через отверстие в пробке, плотно закрывающей пробирку, введена стеклянная трубка К, с узким концом, которым она касается по- верхности жидкости. Пробирка с исследуемой жидкостью помеща- ется в стакан с водой Ст, выполняющий роль термостата. Вода в стакане и жидкость в пробирке нагреваются на электроплитке Э. Температура исследуемой жидкости определяется термометром Т, погруженным в стакан с водой, которая перемешивается мешалкой

Мш.

Если слегка приоткрыть кран Кр, то вода из аспиратора начина- ет медленно вытекать в сливной сосуд С, и давление в аспираторе и пробирке понижается. При этом через коническую часть трубки К начинает продавливаться пузырёк воздуха. Пузырёк проходит че- рез капилляр в жидкость в тот момент, когда его радиус равен ра- диусу капилляра. При этом радиус пузырька имеет, очевидно, ми- нимальное значение, а поверхностное давление в нем максималь- ное. Это давление измеряется манометром М. Обозначим это дав- ление H (в делениях манометра). Тогда в момент выхода пузырька воздуха справедливо соотношение:

σ = a H,

где а – так называемая постоянная прибора зависящая от диаметра капилляра и глубины его погружения в жидкость.

101

Поверхностное натяжение жидкости определяется в работе от- носительным методом. Сначала опыт проводится с жидкостью, ко- эффициент поверхностного натяжения (КПН) которой известен. Определяя из этого опыта соответствующее значение Н0, находят

постоянную прибора

a = σ0 . H0

Определив таким способом постоянную прибора, найдём и КПН исследуемой жидкости, который выразится формулой

σ= σ0 H.

H0

При этом необходимо соблюдать одинаковость погружения ка- пилляра в обе жидкости – эталонную и исследуемую.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение постоянной прибора

1.Тщательно промойте водой и высушите пробирку и трубку К

скапилляром. Налейте в пробирку дистиллированную воду ком- натной температуры примерно до уровня, указанного на рис. 4.6. Плотно закройте пробирку пробкой со вставленной в нее трубкой К и слегка передвигая трубку вверх или вниз, отрегулируйте положе- ние трубки так, чтобы конец трубки К находился у поверхности воды, налитой в пробирку.

2.Налейте в стакан Ст воду комнатной температуры и собери- те установку согласно рис. 4.8.

3.Закройте кран Кр, налейте в аспиратор воду из водопровода и закройте его пробкой с трубкой. Проверьте и, если понадобится, вновь отрегулируйте положение трубки К.

4.Откройте кран Кр аспиратора настолько, чтобы падение дав- ления в установке при вытекании воды из аспиратора происходило достаточно медленно, и можно было бы легко отсчитывать поло- жения уровней воды в манометре в момент отрыва пузырьков. Ко- гда частота их отрыва станет постоянной, произведите отсчёты по-

102

казаний манометра не менее, чем для 10 пузырьков. Термометром измерьте температуру Т0 воды в стакане Ст и запишите её перед табл. 4.3.

5. По средней разности давлений Н и табличному значению КПН воды при температуре Т0 определите постоянную прибора а. Результат запишите перед табл. 4.3.

Задание 2. Исследование температурной зависимости КПН воды

1.Включите через автотрансформатор электроплитку на сла- бый накал и, непрерывно размешивая мешалкой воду в стакане, нагрейте её до 30 °C. Уменьшив накал плитки настолько, чтобы температура воды оставалась на заданном уровне, снимите показа- ния манометра при этой температуре тем же методом, которым вы определяли постоянную прибора а (п.4 задания 1). Запишите ре- зультаты в таблицу 4.3.

2.Нагревая воду до 80–90 °С, проведите подобные измерения через каждые 10 °С. В процессе нагревания и измерений необхо- димо постоянно перемешивать мешалкой Мш воду в стакане Ст. По окончании измерений выключите электроплитку.

3.Рассчитайте значение σ воды при различных температурах и оцените погрешность Δσ.

4.На миллиметровке постройте график зависимости σ от тем- пературы Т. Аккуратно проведённые измерения должны показать монотонное уменьшение σ с ростом температуры.

103

Задание 3. Исследование зависимости КПН от концентрации растворенных в воде солей

1.Вместо пробирки с дистиллированной водой используйте пробирку с 1% раствором NaCl и проведите отсчёты не менее, чем для 10 пузырьков.

2.Затем то же самое проделать с растворами с концентрацией 2, 5, 10 и 20 % раствором NaCl. Результаты измерений внести в табл. 4.4.

3.На миллиметровке постройте график зависимости σ от кон- центрации соли С, отложив для каждой точки соответствующие

погрешности Δσ.

4. Определите, к какому типу веществ (ПАВ или ПНАВ) отно- сится раствор NaCl в воде.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.С ростом температуры σ уменьшается. При какой температуре

σ= 0?

2.Выведите формулу для капиллярного давления.

3.Как, зная капиллярное давление в пузырьке, найти высоту подъёма жидкости в капилляре.

4.Почему многие пористые ткани и материалы, хорошо впитываю- щие воду, садятся при сушке? Какие силы их сжимают?

5.Почему такие материалы достаточно долго сохнут? Что препят- ствует их быстрому высыханию?

6.Если в воду, в которой растворено мыло (мыло - ПАВ), добавить NaCl, то как изменится концентрация мыла на поверхности воды?

104

где 2πd – удвоенный периметр кольца (у плёнки две стороны). Измерив F и d можно вычислить коэффициент поверхностного

натяжения σ = F . 2πd

Порядок выполнения работы

1.Подготовьте в тетради табл. 4.5 для записи измерений.

2.Отодвиньте столик С с чашкой Ч из-под кольца К (см. рис.

4.7).

3.Измерьте штангенциркулем внутренний диаметр кольца d. Результат занесите в табл. 4.5.

4.Выровняйте кольцо, не прикладывая к нему больших сил, чтобы оно висело горизонтально.

5.Запишите в табл. 4.5 показание F1 динамометра Д.

6.Столик с чашкой передвиньте под кольцо. Вращая винт В столика, поднимайте столик с чашкой, пока кольцо не коснётся по- верхности жидкости. Немного доверните винт, чтобы нижний край металлического кольца погрузился в жидкость примерно на 5 мм.

7.Медленно вращая винт В, начните опускать столик с чашкой, наблюдая за показаниями динамометра. Определите его макси- мальное растяжение Fmax в процессе опускания столика. Запишите результат в табл. 4.5.

8.Вращайте винт, пока кольцо не оторвётся от поверхности жидкости.

9.Повторите пп. 7–10 ещё 4–5 раз, записывая результаты в таб- лицу 4.5.

106

10.По данным таблицы 4.5 определите среднее значение σ коэффициента поверхностного натяжения и погрешность Δσ. Ре- зультат запишите в таблицу 4.5.

11.Повторите измерения для другой жидкости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется поверхностной энергией? Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения и укажите его размер- ность.

2.Каким способом в настоящей работе определяется коэффи- циент поверхностного натяжения?

3.Как коэффициент поверхностного натяжения зависит от тем- пературы? Чему он равен в критической точке?

4.Какое давление создаёт искривлённая поверхность жидко-

сти?

5.Почему мокрые листы бумаги слипаются?

6.Чем объясняется капиллярное поднятие (опускание) жидко-

сти?

7.Каковы радиусы кривизны поверхности жидкой плёнки в ваших опытах с кольцом?

8.Почему в данной работе по мере опускания столика растяже- ние динамометра вначале растёт, а затем начинает уменьшаться,

прежде чем кольцо оторвётся от жидкости? Почему σ следует определять именно по максимальному показанию динамометра?

Указание: стенки кольца имеют ненулевую толщину.

9. Методом размерностей оцените время, за которое исчезнет мыльная плёнка, натянутая на проволочное кольцо радиусом R, ес- ли эту плёнку проколоть в её центре. Сделайте численную оценку для плёнки толщиной 7∙10–5 см и радиуса R~10 см.

107

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. СПб.: Лань, 2006.

2.Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. СПб.: Лань, 2008 (и др. издания).

3.Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. В 3-х т. Т. 1. СПб.:

Лань, 2009.

4.Телеснин Р.В. Молекулярная физика. СПб.: Лань, 2009.

5.Лисицын С.Г. Молекулярная физика в задачах. М.: НИЯУ МИФИ,

2014.

6.Иродов И.Е. Физика макросистем. М.: Физматлит, 2001.

7.Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лифшиц Е.М. Курс общей физики. М.: Наука, 1965 (и др. издания).

8.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 2. М.: Наука, 1977 (и др. из- дания).

9.Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981.

108