Методические указания по проведению лабораторных работ по курсу «Физика» (для студентов и преподавателей) (стр. 6 из 13)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: научится определять коэффициент поверхностного натяжения жидкости различными методами.

Оборудование:

1 .Бюретка с краном.

2.Сосуд с водой.

3.Сосуд для сбора капель.

4.Капиллярные трубки.

5.Масштабная линейка. 6.Миллиметровая бумага.

Теория

Молекулы в жидкости расположены на расстояниях, при которых проявляется действие их сил взаимного притяжения к друг другу. Потенциальная энергия взаимодействия молекул жидкости примерно равна их кинетической энергии . В расположении молекул жидкости имеется ближний порядок - упорядоченное расположение ее молекул в небольшом объеме. Каждая молекула жидкости колеблется около положения равновесия 10 ^-11с, из которого скачком переходит к новому положению равновесия. Расстояния между молекулами жидкости сравнимы с диаметром молекул.

Основные свойства жидкости: имеет собственный объем, текучесть, хрупкость, практически не сжимается, на границе с газом образует свободную поверхность. Большинство свойств жидкого состояния вещества ближе к свойствам твердого состояния, чем к свойствам газообразного.

Поверхностное натяжение.

Внутри жидкости ( см. рис. 1 ) силы притяжения на одну молекулу М₁ со стороны соседних с ней молекул, взаимно компенсируются. На молекулы поверхностного слоя жидкости М₂ действуют неуравновешенные силы притяжения к молекулам, расположенным внутри жидкости. Наличие этих сил приводит к поверхностному натяжению.

Рис.1

Поверхностное натяжение измеряется силой F , приходящейся на единицу длины контура l , ограничивающего эту поверхность, и действующей по касательной к этой поверхности. Сила поверхностного натяжения F стремится сократить площадь свободной поверхности жидкости до минимума.

F =σ ∙ l (1)

где σ = F/l - коэффициент поверхностного натяжения жидкости (в н/м).

При сокращении площади свободной поверхности жидкости совершается работа:

А=σ∙ΔS (2)

где σ =A/ΔS

Методы определения коэффициента поверхностного натяжения Метод отрыва капель.

Опыт осуществляют при помощи установки ( см. рис.2 ). Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения состоит из штатива, на котором установлена бюретка с исследуемой жидкостью. Бюре́тка (от англ. burette) — тонкая проградуированная стеклянная трубка ёмкостью обычно 50 мл, открытая на одном конце и снабжённая стеклянным или тефлоновым запорным краном на другом. Предназначена для точного измерения небольших объемов жидкости. Крупные деления нанесены через каждый миллилитр, а мелкие — через 0,1 мл. На конце бюретки находится наконечник-трубка, в которой находится исследуемая жидкость.

Открывая кран бюретки так, чтобы из бюретки медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести её P=mg равна силе поверхностного натяжения F, граница свободной поверхности- окружность шейки капли, P=F. Следовательно, F=m_кап g, поэтому σ=m _кап g/d. Опыт показывает, что d_кап=0,9 d, где d-диаметр канала узкого конца бюретки.

Метод подъема воды в капиллярах

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах(см. рис.3). Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие – опускаются. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F_н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F_т = F_н, где F_т = mg = ρhπr²g, F_н = σ2πr .Отсюда следует: h=2

/ ρrg.

Рис.3

Рис.2

Порядок выполнения работы

Опыт 1

1. Собрать установку и наполнить бюретку водой

2. Измерить диаметр канала узкого конца бюретки.

3. Определить по шкале бюретки начальный объем воды V₁ в мл (1мл=10 ^-6 м ³).

4. Поставить под бюретку сосуд, наполнить ее водой и, плавно открывая кран, добиться медленного отрывания капель (капли должны падать друг за другом через1-2с.)

5. Отсчитать 20-40 капель.

6. Определить конечный объем воды в бюретке V₂.

7. Найти объем капель по формуле:

V = V₂ – V₁.

8. Масса одной капли будет равна: m_x =

.

9. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле:

σ =

где

=10³ кг/ м³ – плотность воды, d-диаметр бюретки, -ускорение свободного падения.

Опыт 2

1. Опустить в стакан с водой капиллярную трубку.

2. Измерить высоту подъёма воды h в капиллярной трубке над поверхностью воды в стакане(см.рис.3).

3. Измерить диаметр капилляра d, вычислить его радиус r=d/2.

4. Произвести вычисления коэффициента поверхностного натяжения по формуле

hrg/2

5. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.

6. Сравнить результаты с табличным значением коэффициента поверхностного натяжения

_табл=0,072 Н/м и определить абсолютную погрешность методом оценки результатов измерений

7. Определить относительную погрешность

•100/