Второй уровень
Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения методом подъёма воды в капилляре и методом отрыва капли, исследование зависимости поверхностного натяжения от температуры и рода жидкости.
В результате выполнения лабораторной работы студенты должны знать:
- методы определения коэффициента поверхности натяжения;
- зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры и рода жидкости;
- причину поднятия смачивающей жидкости в капилляре;
- условие отрыва капли;
уметь:
- определять коэффициент поверхности натяжения методом отрыва капель и методом поднятия смачивающей жидкости в капилляре.
Основные теоретические положения
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости.
Как и любая механическая система,
поверхностный слой жидкости, стремясь
уменьшить потенциальную энергию,
сокращается. При этом совершается работа
где
коэффициент
пропорциональности (выражается в
или
Н/м), называемый поверхностным
натяжением:
или
,
где F – сила
поверхностного натяжения, l
– длина границы поверхностного слоя
жидкости.
Поверхностное натяжение можно определить различными методами.
Метод отрыва капель
Коэффициент поверхностного натяжения
воды можно определить, воспользовавшись
расчетной формулой:
где
m – масса капли, g
– ускорение свободного падения, а d
– диаметр отверстия капельницы.
В работе используют капельницу, диаметр отверстия которой известен и указан на корпусе. Определение массы одной капли проводят так. С помощью весов определяют массу стакана. Затем из капельницы в стакан капают 60 – 70 капель. Капли считают. Определяют массу стакана с водой. По разнице масс находят массу воды в стакане. Разделив ее на число капель, находят массу одной капли. Далее по приведенной выше формуле вычисляют коэффициент поверхностного натяжения.
Метод подъема воды или другой смачивающей жидкости в капиллярах
Поднятие смачивающей жидкости в
капиллярной трубке над уровнем жидкости
в большом сосуде происходит в результате
того, что поверхность жидкости стремиться
сократиться, поэтому на жидкость
оказывается дополнительное давление
,
где R – радиус капилляра.
Смачивающая жидкость капилляра
поднимается на такую высоту, при которой
вес ее столбика над уровнем жидкости в
большом сосуде уравновесится силой
дополнительного давления:
или
откуда
где
плотность
жидкости.
Задание I: Определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва капли.
Оборудование: капельница с водой, стакан, весы с разновесами.
Правила техники безопасности (Приложение Д).
Порядок выполнения работы
Определите массу стакана.
Накапайте из капельницы в стакан 60-70 капель воды.
Определите массу стакана с водой.
Найдите массу воды в стакане.
Рассчитайте массу одной капли.
Вычислите коэффициент поверхностного натяжения по формуле: где m – масса капли, g – ускорение свободного падения, а d – диаметр отверстия капельницы.
Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 1.
Таблица 1
№ опыта |
М, кг |
N |
m,кг |
|
|
|
|
|
|
Н/м
где М – общая масса капель; N – число капель в стакане; m – масса одной капли, коэффициент поверхностного натяжения воды.
Проведите опыт еще два раза и найдите среднее значение коэффициента поверхностного натяжения.
Сравните полученные значения с данными из таблицы 3, с.165 [3]
Задание II: Определить коэффициент поверхностного натяжения методом подъёма воды в капилляре.
Оборудование: стакан с водой, две капиллярные трубки различного сечения, набор игл, микрометр, масштабная линейка, лупа.
Инструктаж по проведению лабораторной работы:
Капиллярные трубки пронумеровать.
Предварительно смочить внутреннюю поверхность капиллярной трубки исследуемой жидкостью, а затем провести опыт.
Высоту подъема жидкости измерять по нижней части мениска в капилляре. Для удобства отсчета наблюдение производить через лупу.
Порядок выполнения работы
1. Опустите в стакан с водой поочередно каждую из двух капиллярных трубок.
2. Измерьте высоту подъема воды в капиллярной трубке над поверхностью воды в стакане.
3. Подберите иглу требуемой толщины, введите ее в капилляр и отметьте на ней место, до которого она вошла в капилляр. Микрометром измерьте диаметр иглы в отмеченном месте.
4. Вычислите поверхностное натяжение по формуле
5. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 2.
Таблица 2
Номер капиллярной трубки |
Диаметр канала капиллярной трубки d,м |
Высота подъема воды в капилляре h,м |
Плотность воды, ρ кг/м³ |
Поверхностное натяжение σ ,Н/м |
Среднее значение поверхностного натяжения σср, Н/м |
Табличное значение поверхностного натяжения σ таб, Н/м |
Относительная погрешность δ,% |
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Сравните результаты с данными из таблицы 3 с.165 [3].
7. Определите относительную погрешность по формуле
Задание III: исследовать зависимость поверхностного натяжения от температуры и рода жидкости.
1. Рассмотрите таблицу 3 и сделайте вывод о зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры. Укажите причину этой зависимости.
Таблица 3
Температура Т, К |
Поверхности натяжение δ, 10-3 Н/м |
Температура Т, К |
Поверхности, натяжение δ, 10-3 Н/м |
283 |
74,0 |
298 |
71,8 |
288 |
73,3 |
303 |
71,0 |
293 |
72,5 |
|
|
2. Рассмотрите таблицу 3 с.165 [3] и сделайте вывод о зависимости коэффициента поверхностного натяжения от рода жидкости. Укажите причину этой зависимости.
Задание IV: Оформить результаты измерений и вычислений в форме отчета по лабораторной работе в соответствии с Приложением Б.
Контрольные вопросы:
При каком условии начинается падение капли из отверстия капельницы?
В двух одинаковых пробирках находится одинаковое количество капель воды. В одной пробирке вода чистая, в другой – с прибавкой мыла. Одинаковы ли объемы отмеренных капель? Ответ обоснуйте.
Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
Почему в методе отрыва капель: а) рекомендуется проводить измерения для возможно большего числа капель? б) следует добиваться медленного падения капель?
Форма контроля - письменный отчет
Список рекомендуемой литературы:
Мякишев Г.Я. Физика 10 класс.- М.: Просвещение, 2011.- 366 с. + CR-ROM.