Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
12
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
253.83 Кб
Скачать

Мурманский филиал ПГУПС

Лабораторная работа по физике № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА

Мурманск

2009

2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды.

Оборудование: 1. Штатив.

2.Ведерко.

3.Набор разновесов.

4.Кольцо.

5.Сосуд с водой.

6.Пружина.

7.Линейка.

8.Подъемный столик.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Молекулы жидкости, расположенные у ее границ, благодаря наличию сил притяжения находятся в иных условиях, чем молекулы внутри жидкости. Для анализа состояния молекул достаточно учесть действие на них других молекул, находящихся внутри сферы молекулярного действия (сферой молекулярного действия называется область, за пределами которой силы взаимодействия молекул практически равны нулю; радиус, которым проведена сфера, принято называть радиусом молекулярного действия).

Внутри жидкости (рис.1) в сферу молекулярного действия около молекулы А попадает достаточно большое количество молекул. Наибольшее количество молекул, которое окружает молекулу внутри жидкости, может быть равно 12. У таких жидкостей молекулу, находящуюся у поверхности, окружает шесть молекул. У воды, например, каждую молекулу внутри жидкости окружает четыре молекулы, а на поверхности - две.

Силы притяжения, с которыми на молекулу внутри жидкости действуют окружающие ее молекулы, направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы. Иначе говоря результирующая всех сил взаимодействия молекулы А с соседними молекулами в среднем равна нулю.

Сфера молекулярного действия молекулы, находящейся у поверхности, частично окажется внутри жидкости, частично — вне ее. Над поверхностью жидкости находится ее пар. Концентрация молекул пара мала, расстояние между молекулами велико, поэтому их действием на молекулы поверхностного слоя жидкости можно

3

пренебречь. Следует принимать во внимание лишь действие молекул жидкости, лежащих в той части сферы действия, которая расположена внутри жидкости. При этом оказывается, что на молекулу В, находящуюся вблизи поверхности жидкости, с разных сторон действует неодинаковое количество молекул. В среднем силы взаимодействия не будут скомпенсированы. Возникает некоторая результирующая сила, направленная внутрь жидкости. Таким образом, на каждую молекулу, лежащую от поверхности на расстоянии, меньшем радиуса молекулярного действия, действует сила, направленная внутрь жидкости.

Поверхностный слой оказывает на всю жидкость давление, называемое молекулярным.

Потенциальная энергия U взаимодействия двух соседних молекул всегда меньше нуля: U<0.

Полная потенциальная энергия молекулы жидкости

Uж = NU ,

где N – число "соседей" молекулы.

У молекулы, находящейся на поверхности, число "соседей" N1 всегда меньше, чем число "соседей" N входящих в сферу молекулярного действия молекулы внутри жидкости. Поэтому потенциальная энергия молекул поверхностного слоя всегда больше потенциальной энергии молекул внутри жидкости.

При отсутствии внешних сил равновесным окажется такое состояние поверхности, при котором энергия взаимодействия молекул, лежащих вблизи поверхности, с молекулами, находящимися внутри жидкости, минимальна. Это возможно в том случае, когда площадь поверхности имеет минимальное возможное значение. Отсюда следует, что массы жидкости, на которые не действуют внешние силы, должны принимать геометрическую форму с наименьшей поверхностью, т.е. сферу.

Стремление жидкости сократить свою свободную поверхность под действием сил молекулярного притяжения носит название поверхностного натяжения.

Количественные характеристики поверхностного натяжения могут быть выяснены из следующего опыта (рис.2). Если прямоугольную проволочную рамку abcd, одна сторона которой может передвигаться, окунуть в мыльную воду, на каркасе останется тончайшая пленка. Стремясь сократить свою свободную поверхность, пленка начнет сжиматься, перемещая подвижную сторону рамки ad.

Чтобы растянутая пленка сохраняла свои первоначальные размеры и не сокращалась, надо приложить некоторую силу F,

4

называемую силой поверхностного натяжения, к линии границы пленки, т.е. к ребру ad. Эта сила касательная к поверхности жидкости.

b

c

x x

 

 

 

d

a

 

l

 

 

Fрис. 2.

Сила F тем больше, чем больше длина границы пленки l:

F = α l

(1)

Коэффициент α , зависящий от рода жидкости, называется

коэффициентом поверхностного натяжения

 

α =

F

 

(2)

l

 

 

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, приложенной к единице длины края поверхностной пленки жидкости. В системе СИ он измеряется в Н/м.

Находящаяся на каркасе мыльная пленка (см. рис.2) имеет свободную поверхность, равную 2lx. Коэффициент 2 появился в формуле потому, что толщина пленки больше, чем толщина моно молекулярного слоя жидкости, следовательно пленка имеет две поверхности. Для увеличения свободной поверхность пленки необходимо совершить работу:

A = α S

(3)

где

S = 2l x

Эта работа идет на увеличение, энергии свободной поверхности жидкости

Ep = α S

Из последнего равенства вытекает еще одно определение коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения α численно равен потенциальной энергии единицы поверхности пленки жидкости:

α = Ep

S

5

Для данной жидкости коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры: с повышением температуры он убывает. Коэффициент поверхностного натяжения зависит также от степени загрязненности поверхности жидкости.

Описание работы установки

Прибор для определения коэффициента поверхностного натяжения представляет собой вертикальную стойку с подвешенным к горизонтальной плоскости на пружине П (рис. 3 ). Снизу к пружине прикрепляется по мере необходимости или ведерко для разновесов, или кольцо.

На стойке укреплена вертикальная шкала Ш. Этот прибор называют пружинными весами. пружина снабжена риской У по шкале производится отсчет.

Рядом со стойкой устанавливается сосуд с исследуемой жидкостью А.

6

ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

Определение жесткости пружины К заключается в определении

зависимости между растяжением пружины и приложенной к ней нагрузкой.

1)Записать начальное положение n0 при ненагруженной пружине

2)Затем кладут в ведерко разновесы 3г., 5г., 7г., отмечают соответствующие им положения n указателя на шкале.

3)По формуле (4) находят коэффициент упругости пружины. Все данные записываются в таблицу1.

Таблица 1.

№ п/п

m, кг

n0

 

n

 

x =

 

n n

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3·10-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

5·10-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

7·10-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее

 

 

Сила упругости пружины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = mg = Fу = kx, отсюда

 

 

 

 

 

 

 

k =

mg

 

 

 

 

 

(4)

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где x — удлинение пружины

Тогда kср будет искомый коэффициент жесткости пружины.

4)Ведерко снимают и на пружинные весы надевают кольцо, с помощью которого определяется коэффициент поверхностного натяжения.

5)Для определения поверхностного натяжения жидкости необходимо поднимать сосуд с водой до тех пор, пока кольцо не коснется поверхности жидкости.

6)Затем опускают сосуд с водой, при этом непрерывно следят за перемещением указателя на шкале. Необходимо заметить, против какого деления шкалы будет находиться указатель в момент отрыва кольца. Записывают в таблицу удлинение пружины x.

7)По формуле (5) высчитывают коэффициент поверхностного натяжения.

8)Опыт повторяют шесть раз. Данные заносят в таблицу 2.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо знать длину разрыва пленки l.

7

Она будет равна, с учетом действия силы по внешнему и внутреннему окружностям кольца (считаемRвнеш Rвнутр ): l = 4πR

Из равенства силы упругости пружины и силы поверхностного натяжения воды в момент отрыва, следует:

kср x = αl ,

отсюда выражая коэффициент поверхностного натяжения, получим:

α =

kср x

,

(5)

 

 

2πD

 

где kср – жесткость пружины;

х – удлинение пружины;

D – средний диаметр кольца.

Таблица 2.

№ п/п

n0

n

x =

 

n n0

 

α, H/м

α, H/м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

kср =

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

D =

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

среднее

 

 

 

9)Обработать результаты по методу прямых измерений.

10)Сравнить данные с табличными значениями.

Контрольные вопросы к лабораторной работе

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ОТРЫВА КОЛЬЦА»

1.Явление поверхностного натяжения.

2.Сила поверхностного натяжения.

3.Коэффициент поверхностного натяжения.

4.Факторы, влияющие на коэффициент поверхностного натяжения.

Соседние файлы в папке Лаб.раб_физика