Описание установки и вывод расчетной формулы. В комплект установки входит штатив с зеркалом и столиком, сосуд с жидкостью, кольцо на пружине

В комплект установки входит штатив с зеркалом и столиком, сосуд с жидкостью, кольцо на пружине.

Коэффициент поверхностного натяжения можно измерить методом отрыва кольца. Для этой цели применяется установка (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема установки: 1 - столик; 2 - сосуд жидкостью; 3 –кольцо; 4 – площадка; 5 – стрелка: 6 – пружина; 7 – кронштейн; 8 - зеркало; 9 – миллиметровая шкала; 10 – винт; 11 – стержень;

12 – массивная плита

 

При погружении смачиваемого кольца в жидкость молекулы пограничного слоя жидкости взаимодействуют с материалом кольца с большей силой, чем друг с другом. При поднимании кольца вместе с ним поднимается и часть жидкости, увеличивается ее поверхность (рисунок 2). Для дальнейшего поднятия кольца нужно преодолеть его вес , вес поднятой жидкости и силу поверхностного натяжения, действующую по наружной и внутренней поверхности кольца. Вес поднимаемой жидкости учесть трудно, но им можно пренебречь по сравнению с силами поверхностного натяжения, если взять кольцо с достаточно тонкими стенками. Сила поверхностного натяжения жидкости, действующая по наружной и внутренней поверхности кольца, в соответствии с формулой (1)

 

F = = ,

 

где b — толщина кольца, м; — наружный и - внутренний диаметры кольца, м.

Рисунок 2 Кольцо, касающееся поверхности жидкости

 

По измеренной силе из последней формулы можно найти коэффициент поверхностного натяжения

. (4)

Установка, используемая в работе, исключает необходимость взвешивания кольца и предназначена для непосредственного измерения силы поверхностного натяжения F. Кольцо подвешивают на нежесткую пружину и поднимают столик, на котором установлен сосуд с исследуемой жидкостью. Смочив нижний край кольца, столик медленно опускают и отмечают на шкале наибольшее опускание стрелки в момент его отрыва от жидкости.

После этого нагружают чашечку над кольцом разновесками и добиваются того же растяжения пружины, что и в момент отрыва его от жидкости. Вес разновесок Р=mg при этом равен силе поверхностного натяжения F, т.е. Р = F. Тогда формулу (4) можно записать

 

. (5)

 

Порядок выполнения работы и требования к

Оформлению результатов

 

3.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать следующие библиографические источники:

- для неинженерных специальностей С. 191–202 /1/.

- для инженерных специальностей С. 128–134 /2/; С. 141–152 /3/.

3.2 Определить положение стрелки с помощью шкалы и зеркала до погружения кольца в воду.

3.3 Налить в сосуд исследуемую жидкость (воду) и поставить на столик под кольцо. Вращая рукоятку, поднять столик до смачивания нижнего края кольца жидкостью. Медленно опускать столик и по стрелке и его изображению на зеркале заметить его положение в момент отрыва от жидкости .

3.4 Определить удлинение пружины .

3.5 Опыт проделать не менее 5 раз.

3.6 Вычислить среднее значение удлинения пружины по формуле

,

где n – количество измерений.

3.7 Вычислить значения абсолютных погрешностей удлинения как

3.8 Вычислить среднеквадратичное отклонение .

.

3.9 По таблицам коэффициентов Стъюдента (приложение А) найти для n= 5и доверительной вероятности Р = 0,95.

3.10 Вычислить погрешность по формуле:

.

3.11 Если полученное значение <1 мм, то для дальнейших расчетов взять равным 1 мм.

3.12 Снять сосуд со столика.

3.13 Убрав промокательной бумагой прилипшие к кольцу капельки, нагрузить чашку кольца разновесками, добиваясь среднего удлинения .

3.14 Определить массу гирь.

3.15 Записать значения внешнего диаметра кольца , толщины , указанные на установке, в таблицу 1.

 

Таблица 1Результаты измерений и вычислений

№ п/п	Обозначения физических величин
±D D	±D b
Среднее

 

3.16 Вычислить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле (5).

3.17 Погрешность измерения определяется по формуле

. (6)

 

Так как , то . Тогда формула (6) принимает вид

 

. (7)

 

3.18 Результаты измерений и расчетов представить в таблице 1.

 

3.19 Определить абсолютную погрешность

.

3.20 Окончательный результат представить в виде

.

3.21 Сделать выводы (сравнить полученное значение a с табличными значениями для данной жидкости).

Контрольные вопросы

 

4.1 Опишите характер теплового движения молекул в жидкостях.

4.2 Объясните, что значит «ближний порядок».

4.3 Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?

4.4 На что затрачивается работа при увеличении поверхности жидкости?

4.5 Почему работа по увеличению поверхности пропорциональна изменению поверхности?

4.6 Какое явление называют «поверхностным»?

4.7 Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? От каких факторов он зависит? В каких единицах он измеряется?

4.8 Почему поверхностно-активные вещества уменьшают коэффициент поверхностного натяжения жидкости?

4.9 Почему коэффициент поверхностного натяжения жидкостей уменьшается с повышением температуры?

4.10 Существуют ли условия, при которых исчезает поверхностное натяжение?

 

Библиографический список

 

1. Грабовский Р.И. Курс физики. - СПб.: Лань, 2002. -608 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2001. -542 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. Пособие: Для втузов. В 5 кн. Кн. 3. Молекулярная физика и термодинамика. - М.: Наука. Физматлит, 1998. -336 с.

 

 

Приложение А

 

Таблица А1 Коэффициенты Стьюдента

 

Кол-во измерений	Доверительная вероятность Р
0,9	0,95	0,98	0,99	0,995	0,997	0,999
	6,3	12,7	31,8	63,7			636,6
	2,9	4,3		9,9			31,6
	2,4	3,2	4,5	5,8	7,4	9,3	12,9
	2,1	2,8	3,7	4,6	5,6	6,8	8,6
		2,6	3,4		4,7	5,8	6,9
	1,9	2,4	3,1	3,7	4,3
	1,9	2,4		3,5		4,6	5,4
	1,9	2,3	2,9	3,4	3,8	4,3
	1,8	2,3	2,8	3,3	3,7	4,2	4,8
	1,8	2,2	2,7	3,2	3,6	3,6	4,6
	1,7	2,1	2,5	2,9	3,3	3,4	4,1
	1,7		2,5	2,8	3,2	3,3	3,8
	1,7		2,5	2,7		3,2	3,6
	1,7		2,4	2,7		3,2	3,5
	1,6		2,4	2,7	2,9	3,2	3,4
	1,6	1,98	2,4	2,62	2,85	3,1	3,37
	1,65	1,96	2,3	2,58	2,81		3,29

 

Приложение Б

 

Таблица Б1 Давление и плотность насыщенных водяных паров

при различных температурах

 

t, °С	р, мм. рт. ст.	r·10-3, кг/м3	t, °С	р, мм. рт. ст.	r·10-3, кг/м3	t,°С	р, мм. рт. ст.	r·10-3, кг/м3
-10	1,95	2,14	11,5	10,1	10,23	21,0	18,5	18,13
-5	3,01	3,24	12,0	10,4	10,51	21,5	19,0	18,59
-4	3,28	3,51	12,5	10,8	10,90	22,0	19,6	19,14
-3	3,57	3,81	13,0	11,1	11,18	22,5	20,2	19,69
-2	3,88	4,13	13,5	11,5	11,56	23,0	20,9	20,34
-1	4,23	4,47	14,0	11,9	11,95	23,5	21,5	20,89
	4,61	4,80	14,5	12,3	12,33	24,0	22,2	21,53
	4,91	5,20	15,0	12,7	12,70	24,5	22,8	22,08
	5,31	5,60	15,5	13,1	13,08	25,0	23,5	22,72
	5,71	6,00	16,0	13,5	13,46	25,5	24,2	23,36
	6,11	6,40	16,5	14,0	13,93	26,0	25,0	24,09
	6,62	6,80	17,0	14,4	14,30	26,5	25,7	24,72
	7,01	7,30	17,5	14,7	14,58	27,0	26,5	25,45
	7,52	7,80	18,0	14,9	14,75	27,5	27,3	26,17
	8,01	8,30	18,5	15,6	15,42	28,0	28,1	26,89
	8,61	8,80	19,0	16,3	16,08	28,5	28,9	27,61
10.0	9,1	9,60	19,5	16,8	16,55	29,0	29,7	28,33
10,5	9,5	9,65	20,0	17,4	17,11		31,87	30,3
11,0	9,8	9,94	20,5	17,9	17,57

Приложение В

 

Пример определения относительной влажности интерполированием.

а) Определяем температуры по «сухому» и «увлажненному» термометрам и разность между этими температурами.

 

Таблица В1 Определение температуры по «сухому» и «увлажненному» термометрам

 

Термометры	Измеренные температуры, 0 С	Поправки к термометрам по паспорту, 0 С	Температуры после введения поправок, 0 С
«сухой» «увлажненный»	tс = 22,5 tв = 16,1	-0,15 +0,20	22,35 16,3

 

Принимаем t _с = 22,4 ⁰ С, разность температуры (t_с – t_в) равна: 22,4 – 16,3 =6,1 ⁰ С.

б) Определяем относительную влажность для t_с = 22,4 ⁰ С, для чего интерполируем значения относительной влажности по таблице для t_с от 22 до 23 ⁰ С и t_с – t_в = 6,0 ⁰ С.

 

Таблица В2 Приближенное определение относительной влажности

 

tс по таблице, 0 С	Разность tс – tв по таблице, 0 С	Относительная влажность, %
	6,0 6,0

 

При увеличении t_с на 1⁰ С, относительная влажность увеличивается на 2%, поэтому, увеличение t_с на 0,4 ⁰ С увеличит относительную влажность на

.

Для t_с = 22,4 ⁰ С и t_с – t_в =6,0 ⁰ С, относительная влажность равна 48 + 0,8 = 48,8% 49%.

в) Определяем относительную влажность для t_с = 22,4 ⁰ С и

t_с - t_в =6,5 ⁰ С, для чего интерполируем значения относительной влажности по таблице для t_с от 22 до 23 и t_с – t_в =6,5 ⁰ С.

 

Таблица В3 Определение относительной влажности

интерполированием

 

tс по таблице, 0 С	Разность tс – tв по таблице, 0 С	Относительная влажность, %
	6,5 6,5

 

Для t_с = 22,4 ⁰ С и t_с – t_в =6,0 ⁰ С, относительная влажность по расчету, аналогичному для (б), равна 44,8% 45%.

г) Определяем относительную влажность для 22,4 ⁰ С и

t_с – t_в =6,1 ⁰ С, для чего интерполируем найденные значения относительной влажности для t_с – t_в от 6,0 до 6,5⁰ С при t_с = 22,4 ⁰ С.

 

Таблица В4 Окончательное определение относительной

влажности

 

tс по таблице, 0 С	Разность tс – tв по таблице, 0 С	Относительная влажность, %
22,4 22,4	6,0 6,5

 

При увеличении разности t_с – t_в на 0,5 ⁰ С относительная влажность уменьшается на 4,0%, поэтому увеличение t_с – t_в на 0,1 ⁰ С уменьшит относительную влажность на

 

Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0261 от 10 апреля 1998 года.

Подписано в печать_______________2006 г. Формат 60х84. Бумага типографская. Гарнитура Таймс. Усл.печ.л.________. Усл.изд.л. _____________.

Тираж____________ экз. Заказ № _______________.

Издательство Башкирского государственного аграрного университета.

Типография Башкирского государственного аграрного университета.

Адрес издательства и типографии: 450001, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34