Описание установки и принципа измерений

В основе метода, используемого в данной работе, лежит формула (2) теоретического введения. Для определения коэффициента поверхностного натяжения  измеряется сила F, необходимая для отрыва кольца от поверхности жидкости, и длина линии отрыва.

Измерительный прибор (рис. 6) представляет собой вертикальную стойку 1, на которой укреплены два кронштейна. На кронштейне 2 укреплена пружина 3 с указателем 4 и диском 5, служащим для удержания разновесов при градуировке пружины. Кольцо 6 укрепляется вместе с диском 5 на пружине 3. На этом же кронштейне 2 укреплена шкала 7, по которой перемещается указатель 4 при растяжении пружины 3. С кронштейном 8 соединена платформа 9, которая может перемещаться вверх и вниз с помощью винта 10. На платформу 9 ставится сосуд 11 с исследуемой жидкостью.

Сущность работы заключается в следующем. Перемещая вверх платформу с сосудом 11, наполненным жидкостью, приводят жидкость в соприкосновение с кольцом 6. При медленном опускании сосуда силы поверхностного натяжения, действующие со стороны поверхностного слоя жидкости и стремящиеся удержать кольцо, растягивают пружину, на которой, висит кольцо. Сила отрыва определяется по деформации пружины.

Рассмотрим подробнее процесс отрыва кольца от поверхности жидкости. В момент отрыва кольца, имеющего внутренний диаметр d₁, свободная поверхность воды в соответствии с теорией смачивания искривляется так, как показано на рис.7.

При этом на кольцо с внутренней стороны действует сила поверхностного натяжения F₁ , распределенная по линии отрыва ₁₁=d₁ , а с внешней стороны - сила F₂, распределенная вдоль линии ₂₂=d₂ . Из рис.7 видно, что силы F₁ и F₂ действуют по касательной к искривленной поверхности жидкости и перпендикулярно к линии контуров ₁₁ и ₂₂ , по которым происходит отрыв кольца.

В соответствии с (2) коэффициент поверхностного натяжения будет равен

, (6)

Практически определить сумму сил F₁+F₂ можно по растяжению пружины в момент отрыва кольца от поверхности жидкости. Для этого следует, прежде всего, проградуировать пружину, т.е. установить зависимость растяжения пружины от нагружающей силы F.

Нагружение пружины производится с помощью разновесов, помещаемых на площадку 5 (рис. 6). При увеличении силы тяжести разновесов G увеличивается сила упругости пружины F_упр.

Зависимость силы упругости от растяжения пружины х должна подчиняться закону Гука F_упр= - к х . В противном случае деформацию нельзя считать упругой и пружину надо заменить.

После градуировки измеряют растяжение пружины при отрыве кольца и по градуировочному графику определяют силу отрыва F_отр=F₁+F₂ , которая и является силой поверхностного натяжения. Коэффициент  в соответствии с 6 определяется по формуле

. (7)

Порядок выполнения работы.

1. Измерьте штангенциркулем внешний и внутренний диаметры кольца. Данные занесите в таблицу 2.

2. Произведите градуировку пружины. Для этого опустите сосуд с водой в крайнее нижнее положение. Отметьте начальное положение х₀ указателя на шкале 7.

Последовательно увеличивая массу m разновесов от 0,1г до 3,0г через каждые 0,4г, занесите в таблицу 1 силу тяжести G=mg этих разновесов и растяжение пружины, равное х = х - х_{0 .}

Все единицы измерения величин при занесении в таблицу перевести в СИ.

Проделайте эти же измерения в обратном порядке (при уменьшении нагрузки) и из двух измерений найдите средние значения растяжения пружины х.

3. Постройте градуировочный график зависимости силы тяжести разновесов G от растяжения пружины х.

4. Налейте в сосуд 11 (рис. 6) дистиллированную воду и поставьте его на платформу 9.

5. Поднимите с помощью винта 10 платформу так, чтобы нижний край кольца оказался погруженным в воду. Нижняя поверхность кольца должна быть параллельна поверхности жидкости.

6. Медленно опустите винтом 10 платформу 9, заметьте, при каком положении указателя кольцо отрывается от жидкости. Занесите в таблицу 2 значение величины х_отр = х_отр -х₀ .

Таблица 1

	Масса m разновесов, г	0	0,4	0,8	1,2	…	3,2
Нагруже-ние пружины	Сила тяжести разновесов G= mg, Н
	Растяжение пружины х=х-х0, м

	Масса m разновесов, г	0	0,4	0,8	1,2	…	3,2
Разгружение пружины	Сила тяжести разновесов G= mg, Н
	Растяжение пружины х=х-х0, м

7. По градуировочному графику найдите F_отр, соответствующую х_отр и занесите в таблицу 2. Измерения повторите 5 раз.

8. Найдите среднее значение F_отр и рассчитайте по формуле 7 коэффициент поверхностного натяжения .

9. Вычислите приборную погрешность, допущенную в определении коэффициента поверхностного натяжения, используя формулы

(8)

При определении относительной погрешности считайтеg и  погрешностями табличных величин, d₁ = d₂ , m_отр - рассчитайте как погрешность в измерении массы.

10. Запишите окончательный результат в виде

 = _ср  , %

Таблица 2.

№№ п/п	d1, м	d2, м	хотр, м	хотр, ср , м	Fотр , Н	Fотр, ср , Н	 , Н/м
1.
2.
3.

Контрольные вопросы для допуска к работе.

1. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?

2. В каких единицах измеряется коэффициент поверхностного натяжения?

3. Чем объясняется наличие в жидкости сил поверхностного натяжения?

4. Как направлена сила поверхностного натяжения?

5. Объясните сущность метода отрыва кольца.

6. Объясните, как произвести градуировку пружины.

Контрольные вопросы к защите работы.

1. Происхождение сил поверхностного натяжения. Определение коэффициента поверхностного натяжения.

2. Вывод расчетной формулы (7).

3. Вывод расчетной формулы (8) для определения погрешности.

Список литературы для самостоятельной подготовки.

1. И.В.Савельев. “”Курс общей физики”, книга 3, М., Наука, 1998.

2. Б.М.Яворский, А.А,Детлаф. “Справочное руководство по физике”, М., Наука, 1984.