13317

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторна робота № 2 ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ. Мета роботи: а вивчення властивостей рідкого стану речовини; б експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини та дослідження його залежності від

Украинкский

2013-05-11

285 KB

130 чел.

Лабораторна робота № 2

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИНИ МЕТОДОМ ВІДРИВУ КРАПЛІ.

Мета роботи: а) вивчення властивостей рідкого стану речовини; б) експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини та дослідження його залежності від різних факторів.

Прилади і матеріали: діапроектор, екран з міліметрового паперу, лінійка, бюретка з досліджуваною рідиною, легка посудина, ваги з гирьками, розчин солі (цукру) різної концентрації.

Теоретичні відомості та опис приладів. Характерна для рідини наявність поверхні, при проходженні через яку густина речовини стрибкоподібно змінюється, визначає цілий ряд властивостей рідини. Молекули, розташовані в шарі, безпосередньо прилеглому до поверхні рідини, знаходяться в стані, відмінному від стану молекул в її товщі. Ця відмінність обумовлена особливостями молекулярної взаємодії. Молекулярні сили діють на порівняно коротких відстанях, порядку 10-9 м. Якщо навколо центру молекули описати сферу радіусом, рівним відстані, на яке розповсюджується дія молекулярних сил, ми одержимо те, що називають сферою молекулярної дії.

Молекули, що знаходяться в товщі рідини, оточені з усіх боків подібними Ж молекулами, ЩО рівномірно заповнюють їх сфери молекулярної дії. В цьому випадку молекулярні сили, діючі на яку-небудь молекулу, будучи направлені симетрично у всі сторони, взаємно компенсуються, так що вплив їх на поведінку молекули не позначається (мал. 2.1).

У іншому положенні знаходяться молекули, розташовані в поверхневому шарі. Якщо для простоти представити поверхневий шар рідини у вигляді геометричної площини, то молекули, розташовані на поверхні, взаємодіятимуть, з одного боку, з великою кількістю подібних їм молекул, розташованих у сфері молекулярної дії, обернутої убік рідині, а з другого боку - з невеликим числом молекул, розташованих в тій половині сфери, яка знаходиться в речовині в пароподібному стані. Це призводить до того, що силове поле молекули, розташованої в поверхневому шарі, виявляється ненасиченим з тієї сторони, яка звернена до пароподібної фази.

Якщо в думках уявити собі процес переходу однієї з молекул рідини з товщі на поверхню, то очевидно, що при цьому частина молекулярних зв'язків, що існували тоді, коли молекула була оточена з усіх боків подібними їй, повинна бути розірвана.

Із сказаного виходить, що для переміщення молекули з товщі рідини на поверхню необхідно витратити роботу. У першому наближенні можна вважати, що при цьому процесі розривається рівно половина зв'язків між даною молекулою і оточуючими її молекулами, і, отже, робота, необхідна для переходу молекули з товщі рідини на поверхню, рівна половині тієї роботи, яка необхідна для переходу молекули з рідини в парову фазу. Природно тому, що всяке збільшення поверхні рідини вимагає витрати певної роботи, оскільки при цьому необхідно перевести якусь кількість молекул рідини в поверхневий шар.

Лежачі в поверхневому шарі молекули притягуються не тільки молекулами, розташованими нижче за них, але і своїми сусідами. В результаті цього в поверхневому шарі виникає сила, величина якої залежить від інтенсивності взаємодії молекул даної рідини. Для кількісної оцінки цієї сили її відносять до одиниці довжини лінії, розташованої в поверхні, тобто:

F=al                         (2.1)

Коефіцієнт пропорційності а в даному співвідношенні називають коефіцієнтом поверхневого натягу. Одиниця вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу Н/м. Величина поверхневого натягу не залежить від того, чи буде лінія, проведена на поверхні, кривій або прямій. Подібна залежність виникає лише тоді, коли радіус кривизни цієї лінії стає порівнянним з радіусом сфери молекулярної дії.

Якщо дріт, зігнутий у вигляді букви П, на ніжки якої надіта рухома перемичка (мал. 2.2), опустити в мильну воду, а потім вийняти, то на ній виникне мильна плівка. Очевидно, перемичка масою m утримується в деякому положенні силою поверхневого натягу F.

Поверхню виниклої плівки можна збільшувати або зменшувати, переміщаючи рухому перемичку. Сила, яку треба для цього прикласти, теж буде дорівнювати силі поверхневого натягу. Позначивши довжину перемички l, а коефіцієнт поверхневого натягу рідини a, знайдемо, що сила, необхідна для переміщення перемички, буде рівна:

                                     (2.2)

Виникнення множника 2 в правій частині рівняння пояснюється тим, що мильна плівка, що утримує перемичку, має дві поверхні. Приклавши зовнішню силу, рівну F, можна примусити перемичку переміститися на відстань . Очевидно, зовнішня сила виконає при цьому роботу, рівну:

                                                               (2.3)

В результаті переміщення перемички поверхня рідини зросте на величину

                                                     (2.4)

Зіставлення рівнянь (2.3) і (2.4) переконує у тому, що робота, необхідна для збільшення поверхні, зв'язана простим співвідношенням з коефіцієнтом поверхневого натягу рідини:

                                                      (2.5)

Написане співвідношення часто використовується для визначення фізичного змісту коефіцієнту поверхневого натягу. На підставі рівняння (3.5) можна написати:

тобто, коефіцієнт поверхневого натягнення чисельно рівний роботі, необхідній для утворення 1 м2 нової поверхні рідини.

Оскільки виникнення нової поверхні пов'язане із здійсненням зовнішніми силами певної роботи, то природно, що поверхня рідини володіє енергією. Енергія, на яку перетворюється робота, витрачена на утворення поверхні рідини, називається вільною енергією поверхні.

Вільною енергією називають ту частину загальної енергії тіла, яка може бути перетворена на роботу, якщо процес протікає при постійній температурі.

У механічних процесах, при яких температура не виконує ролі, вільній енергії відповідає потенційна енергія.

Одним з найважливіших законів природи є закон, згідно якому в будь-якій системі при постійній температурі стійка рівновага спостерігається тоді, коли вільна енергія системи мінімальна. Цей закон називають принципом мінімуму вільної енергії, а в механіці - принципом мінімуму потенційної енергії.

На практиці одним з поширених методів вимірювання коефіцієнта а є метод відриву крапель. При порівняно невеликій швидкості витікання рідин з вузької трубки утворюються краплі майже сферичної форми. Перед відривом краплі виникає "шийка", по якій і відбувається розрив (мал. 2.3). Нехай діаметр шийки в момент відриву краплі дорівнює d, а сила тяжіння краплі, що відривається, mg. Тоді, враховуючи (2.1), справедлива рівність:

,                                                       (2.7)

 де  - довжина окружності по якої відбувається відрив.

Звідси

                                                             (2.8)

Дослід виконують за допомогою проекції. Установка для виконання досліду складається із оптичної лави, на якій послідовно розміщені освітлювальна система, бюретка з досліджуваною рідиною і посудина, в яку падають краплі, об'єктив, екран.

Якщо рідина повільно капає, то спроектувавши краплі на екран (мал. 2.4), можна визначити, скільком поділкам шкали п дорівнює її діаметр d в момент відриву краплі. Ціну поділки шкали, нанесеної на екран, можна визначити таким чином: виміряти штангенциркулем діаметр бюретки d6, та визначити число поділок шкали пб, що відповідають проекції бюретки на екрані. Ціна поділки визначиться як d6/n6. Тоді діаметр шийки краплі знайдемо як:

Маса m краплі визначається шляхом зважування великої кількості (N « 100) крапель даної рідини. Тобто

де М - маса N крапель.

Враховуючи це, з (2.8) отримуємо робочу формулу:

                                               .                                                         (2.9)

Правила техніки безпеки: а) перевірити надійність електрошнура до проектора, вилки, а також розетки; б) наливаючи воду в бюретку, виймати - вставляти її в лапку-зажим категорично забороняється; в) дотримуватись обережності при вимірюванні діаметра кінця бюретки, вимірювати його не в нижній, а в середній частині.

Порядок виконання роботи

  1.  Зважити на вагах чисту пусту баночку, поставити її під бюретку з досліджуваною рідиною. Відрахувати деяку кількість крапель N. Зваживши баночку вдруге (з рідиною), визначають масу рідини М.
  2.  Виміряти мікрометром діаметр бюретки в тій частині, яка буде спроектована на екран і відмітити ціну поділки шкали.
  3.  Зібравши установку, як показано на малюнку, проектують кінець бюретки, щоб рідина повільно капала і відмітити, скільком поділкам шкали відповідає діаметр шийки краплі в момент відриву. Вимірювання провести декілька разів і підрахувати середнє значення діаметра шийки краплі.
  4.  Аналогічні досліди виконують з водними розчинами солі (цукру) різних концентрацій.
  5.  Підрахувати абсолютну та відносну похибки.
  6.  Результати вимірів та підрахунків занести в звітну таблицю.

п/п

М

N

g

g

dб

п

А

Контрольні запитання

  1.  Яка природа сили поверхневого натягу?
    1.  Який фізичний зміст коефіцієнта поверхневого натягу?
    2.  Від яких факторів залежить величина коефіцієнт поверхневого натягу?

Література

  1.  Фізичний практикум. / Під общ. ред. Дущенко В.П. - 4.1. - К: Вища школа, 1981.
    1.  Кікоїн І.К., Кікоїн А.К Молекулярна фізика. - М. 1976.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79001. Типология научных проблем, их философско-методологический анализ. Генезис научной проблемы и пути её разрешения 15.5 KB
  Проблема форма теоретического знания содержанием которой является то что еще не познано человеком но что нужно познать. Проблема это процесс включающий 2 момента постановку и решение. Однако этим процедурам всегда предшествует вопрос или проблема. Для успешного решения научной проблемы Поппер формулирует 2 основных условия: Ясное четкое формулирование Критическое исследование различных ее решений Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации которая требует разрешения.
79002. Теоретический уровень науки. Генезис научной теории, её внутренняя организация. Математический аппарат и его интерпретация 58.5 KB
  Генезис научной теории её внутренняя организация. Выделяют следующие основные элементы структуры теории: 1 Исходные основания фундаментальные понятия принципы законы уравнения аксиомы и т. 3 Логика теории совокупность определенных правил и способов доказательства нацеленных на прояснение структуры и изменения знания. 5 Совокупность законов и утверждений выведенных в качестве следствий из основоположений данной теории в соответствии с конкретными принципами.
79004. Неклассическая модель научного знания. Философский и общенаучный смысл теории относительности. Парадоксы неклассической науки 36.5 KB
  Философский и общенаучный смысл теории относительности. Эти события привели к кризису ньютоновской парадигмы классической физической теории господствовавшей в XVII первой половине XIX в. Кризис разрешился революцией в физике породившей: теорию относительности частную или специальную СТО и общую ОТО; квантовую механику нерелятивистскую и релятивистскую квантовую теорию поля; Эти теории ознаменовали переход от классической к неклассической науке. Создание теории относительности.
79005. Постнеклассическая наука, её ценностно-целевые ориентиры. Парадигма нелинейного мира 35.5 KB
  Парадигма нелинейного мира. В контексте различных и даже противоречивых концепций можно говорить о новой научной картине мира создаваемой постнеклассической наукой Процесс ее построения еще не завершен но основные контуры уже очевидны. Исходные философские идеи новой науки: единство мира заключается в том что на всех уровнях организации действуют общие законы; системное видение в противовес механическому пониманию мира; синтез детерминизма многовариантности и случайности; отказ от концепции редукционизма: нахождение изоморфных законов в...
79007. Особенности научного знания. Наука и другие формы миропостижения (философия, искусство, религия) 48.5 KB
  Ответ на вопрос о том что исследуется раскрывает природу предмета науки а ответ на вопрос о том как осуществляется исследование раскрывает метод исследования. Философия же в отличие от науки выносит универсальные суждения и стремится открыть законы всего мирового целого. В отличие от науки ценностная компонента знания неустранима из философии. Это с одной стороны натурфилософия как попытка строить универсальные картины мира без опоры на данные науки а с другой позитивизм призывающий философию отказаться от обсуждения...
79008. Роль науки в образовании и формировании современного человека 30.5 KB
  Роль науки в образовании распространяется на все компоненты образовательного процесса цели средства результаты принципы формы и методы. Образовательный процесс выступает в качестве исходной территории на которой происходит встреча индивида и науки а также его подготовка к жизнедеятельности в данном обществе формирование зрелой личности. В этой связи достаточно часты обращения к античной идее пайдейя обозначающей процесс формирования индивида включающий в себя три составляющие: воспитанность образованность и культура....
79009. Структура эмпирического и теоретического знания 47 KB
  Теоретический уровень научного познания как и эмпирический имеет ряд подуровней среди которых можно выделить следующие по степени общности: а аксиомы теоретические законы; б частные теоретические законы описывающие структуру свойства и поведение идеализированных объектов; в частные единичные высказывания утверждающие нечто о конкретных во времени и пространстве состояниях свойствах и отношениях некоторых идеализированных объектов Абстрагирование и идеализация начало теоретического познания. Научные законы регулярные...