Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжения воды.

Метод определения основан на взаимодействии с водой металлического кольца, радиус которого значительно больше толщины стенки. Кольцо смачивается водой, вследствие чего, когда его вынимают из воды возникает сила поверхностного натяжения, значение которой вместе с диаметром кольца позволяют определить коэффициент поверхностного натяжения воды. Смачивание (либо несмачивание) зависит от сил, возникающих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. При смачивании силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил между молекулами самой жидкости и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. В работе для определения коэффициента поверхностного натяжения используется формула (3), где экспериментально определяется сила поверхностного натяжения и длина контура.

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.

К невесомой пружине (1) подвешено кольцо (2) массой . Указатель (3) отмечает координатуна шкале (4), соответствующую положению равновесия кольца на пружине (рис. 3,а). Сила тяжести кольцауравновешена силой упругости пружины:

, (4)

Если снизу поднести к кольцу чашку с жидкостью (рис. 3,б), то в результате смачивания кольцо сцепится с жидкостью. При опускании чашки с жидкостью вниз кольцо устремляется за жидкостью и растяжение пружины увеличивается. Между кольцом и поверхностью жидкости формируется жидкостная пленка создающая силу поверхностного натяжения , действующую по внутреннему и внешнему периметрам кольца. Согласно уравнению (3) получаем:

, (5)

где - радиус внутренней поверхности,- радиус внешней поверхности кольца. Пренебрегая толщиной стенки кольца по сравнению с радиусом формулу (5) можно записать

, (6)

где - диаметр кольца.

При дальнейшем опускании сосуда с жидкостью вниз кольцо отрывается от жидкости при условии

, (7)

где -сила упругости, обусловленная силой тяжести кольца и силой поверхностного натяжения. Из рисунков 3,а и 3,б видно, что

. (8)

Приравнивая уравнения (7) и (8), с учётом выражения (4), получаем:

. (9)

Приравниваем выражения (6) и (9) : .

Отсюда получаем формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения:

. (10)

Из формулы (10) следует, что для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо определить коэффициент жесткости пружины. Определениедостигается методом градуировки пружины.

Порядок выполнения работы

I. Градуировка пружины и определение её жёсткости

1. Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,а) на шкале (4) положение равновесия кольца , подвешенного на пружине.

2. Поместить на площадку, расположенную в середине кольца, груз массой (1г). Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,в) на шкале (4) новое положение равновесия кольца с грузом. Под действием груза пружина растянется на величину (). При этом сила упругости по закону Гука

.

Эта сила обусловлена силой тяжести, т.е.

, (11)

где - жёсткость пружины.

Из (11) следует:

. (12)

3. Вычислить жёсткость пружины по формуле (12).

4. Повторить опыты п.п. 2,3 для других масс (не менее пяти).

5. Найти среднее значение коэффициента жёсткости .

6. Результаты занести в таблицу 1.

7. Построить график зависимости .

8. По тангенсу угла наклона найти жёсткость пружины и сравнить её с, полученной в п.5.

9. Рассчитать относительную () и абсолютную () погрешности в определении жёсткости по формулам:

; (8)

,

где ибрать как погрешность прибора.

Таблица 1

№
	кг	м	м	Н/м	Н/м	%	Н/м
1
2
3
4
5