Движение / КП 1 / Физика для 1 и 2 курса / Лаб.раб_физика / Лаб.раб_14
.pdfМурманский филиал ПГУПС
Лабораторная работа по физике № 14
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ.
Мурманск
2009
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ
Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды.
Оборудование: 1. Бюретка 2. Стакан с водой.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
Рассмотрим свободную поверхность жидкости, налитой в какой-либо сосуд. Каждая молекула жидкости, находящаяся внутри сосуда, окружена со всех сторон такими же молекулами, причем обычно считают, что число ее ближайших соседей равно 12. Это означает, что каждая молекула, находящаяся внутри жидкости, взаимодействует с 12 соседними, окружающими ее молекулами.
Поскольку любая пара молекул жидкости притягивается друг к другу, она обладает потенциальной энергией взавмо действия U. Потенциальная энергия притяжения – отрицательна, так как для удаления молекул друг от друга нужно затратить работу. Таким образом, U < 0.
Потенциальная энергия молекулы, лежащей внутри жидкости:
Uж ≈12U < 0. |
(1) |
Молекула жидкости, находящаяся на поверхности, практически взаимодействует лишь с шестью ближайшими молекулами жидкости, лежащими под поверхностью. Над поверхностью жидкости находится насыщенный пар. Среднее расстояние между молекулами пара много больше среднего расстояния между молекулами жидкости, поэтому взаимодействием между молекулами, находящимися на поверхности жидкости, и молекулами пара можно пренебречь.
Таким образом, потенциальная энергия молекулы жидкости, лежащей на поверхности:
Uпов ≈ 6U . |
(2) |
Разумеется, она тоже отрицательна. |
|
Из того факта, что потенциальная энергия взаимодействия молекул |
|
отрицательна, следует, что |
|
Uпов >Uж . |
(3) |
Молекулы, находящиеся на свободной поверхности жидкости, где они обладают большей потенциальной энергией, стремятся перейти в состояние с наименьшей возможной энергией, т. е. Переместиться внутрь жидкости. Благодаря этому, свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою энергию, т. е. сократиться. На поверхности как бы образуется пленка, стягивающая весь объем жидкости.
Поверхностное натяжение (т. е. изменение энергии свободной поверхности жидкости при увеличении ее поверхности) характеризуется
работой, которую нужно совершить для увеличения свободной поверхности жидкости. Эта работа пропорциональна площади вновь образованной свободной поверхности:
A = α S . |
(4) |
Величина α, численно равная работе образования единицы площади свободной поверхности жидкости, носит название коэффициента поверхностного натяжения.
Всистеме СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Дж/м2 или, что то же самое, в Н/м.
Отсюда видно, что коэффициент поверхностного натяжения можно определить и как силу, приложенную к единице длины границы свободной поверхности жидкости для удержания границы в начальном положении. Разумеется, оба определения равнозначны.
Вданной работе коэффициент поверхностного натяжения определяется методом отрыва капель.
При медленном вытекании жидкости из трубки образуются капли. Капля на конце трубки постепенно увеличивается в размерах и, достигнув определенной величины, отрывается. Затем образуется следующая капля, и весь процесс повторяется вновь. Отрыв капли происходит в месте ее сужения, в так называемой шейке капли (на рис. 1 а – а – шейка капли) в тот момент, когда вес капли станет равным силе поверхностного натяжения на границе отрыва капли. Эта сила ню называется силой поверхностного натяжения:
P = Fп.н.
(Грубо весь процесс образования капли и ее отрыва можно представить так: имеется мешочек – поверхностная «пленка» вещества капли, - в который постепенно наливается жидкость, растягивающая мешочек. При определенном весе жидкости, налитой в мешочек, стенки мешочка не выдерживают и разрываются. Это и есть момент отрыва капли).
Эта сила поверхностного натяжения, с которой одна часть поверхности капли притягивается другой, равна коэффициенту поверхностного натяжения данной жидкости, помноженному на длину линии, по которой происходит отрыв (в данном случае длину окружности шейки капля).
а
а
Рис. 1.
Если r – радиус шейки капли, α – коэффициент поверхностного натяжения (к. п. н.) вытекающей жидкости и f – вес отрывающейся капли, то имеем:
f = 2πrα. |
(5) |
Откуда для α найдем: |
|
α = f . |
(6) |
2πr
Следовательно, для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо знать вес капля и радиус шейки капли в момент ее отрыва.
Вес капли можно выразить следующим образом:
f = ρgV , N
где ρ – плотность жидкости (для воды ρ=103 кг/м3 ),
N – число капель,
V – объем всех N капель.
Подставляя последнее соотношение в формулу (6), получим:
α = |
ρgV |
. |
(7) |
|
|||
|
2πrN |
|
|
ОПИСАНИЕ ПРИБОРА
Прибор состоит из стеклянной бюретки, закрепленной на штативе (рис. 2).
Нижний конец бюретки оканчивается краном. На бюретке нанесены деления, позволяющие определить объем жидкости. Цена наименьшего деления на бюретке соответствует объему 0,1 мл. Под бюретку подставляется стаканчик.
Рис. 2.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1.Налить в бюретку воду.
2.Открыть кран, отрегулировать скорость образования и падения капель таким образом, чтобы удобно было вести отсчет.
3.Определяют число капель, образовавшееся при вытекании из бюретки 3 мл воды.
4.Опыт повторяют шесть раз, каждый раз увеличивая объем на 2 мл. Данные измерений заносят в таблицу.
5.Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения по формуле (7).
Диметр шейки капли равен (d= |
). |
6.Оценить погрешность.
7.Сравнить полученный результат с табличным значением.
№ |
V, м3 |
N |
α, Н/м |
α, Н/м |
|
п/п |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
r = |
2 |
|
|
|
|
ρ= |
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
g = |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
среднее |
|
|
|
Контрольные вопросы к лабораторной работе
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ»
1.Явление поверхностного натяжения.
2.Коэффициент поверхностного натяжения.
3.Из каких соображений получена расчетная формула.