Лабораторная работа №4
Определение поверхностного натяжения жидкости.
Цель работы:определить опытным путем поверхностное натяжение жидкости.
Теория. 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 А= 
, где 
—коэффициент пропорциональности (выражается в Дж/м2 или Н/м), называемый поверхностным натяжением:
= 
или = 
(1), где F — сила поверхностного натяжения, l — длина границы поверхностного слоя жидкости.
Поверхностное натяжение можно определить методом отрыва капель.
Опыт осуществляют с бюреткой, в которой находится исследуемая жидкость (рис.1, а). Открывают кран бюретки так, чтобы из бюретки медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести ее F т = m к g ( 2 ) равна силе поверхностного натяжения. Из формулы (1) F н = l (3), где l граница свободной поверхности жидкости — окружность шейки капли (рис. 1, б).
|
|
Вывод рабочей формулы: Используем условие отрыва капли: F т 
F н;
Возьмем момент отрыва капли: F т = F н ( 4 ); Учитывая уравнения (2) и (3):
Fт = m к g; F н = l; и,приравняв правые части уравнений, получим:
m к g = l; 
= 
(4), где l = 2πrшк = πdшк.(5) - граница свободной поверхности жидкости — длина окружности шейки капли.
Поскольку диаметр шейки капли измерить невозможно, воспользуемся опытными данными: dшк = 0,9 dтр (см. рис.), учитывая уравнение (5), получим
l = 0,9π dтр (6). Подставим уравнение (6) в уравнение (4) и получим:
= 
Так как массу одной капли точно измерить невозможно, то накапаем N
(N > 30) капель и найдем массу одной капли по формуле: mк = 
, где m - масса всех капель. Окончательная формула имеет вид:
= 
(7)
Оборудование. 1. Бюретка с краном, весы учебные с разновесами, сосуд с водой, сосуд для сбора капель, микрометр, набор игл.
Порядок выполнения работы.
1. Собрать установку по рис. 1, а и наполнить бюретку водой. Измерить диаметр канала узкого конца бюретки. Для этого ввести до упора в канал бюретки иглу соответствующей толщины, заметить то место, до которого она вошла, и микрометром измерить диаметр иглы в отмеченном месте. Измерения микрометром повторить несколько раз, поворачивая при этом иглу на определенный угол. Если результаты измерения будут различаться, взять их среднее значение.
2. Определить массу пустого сосуда для сбора капель, тщательно взвесив его.
3. Подставить под бюретку сосуд, в котором была вода, и, плавно открывая кран, добиться медленного отрывания капель (капли должны падать друг за другом через 1—2 с).
4. Под бюретку с отрегулированными каплями подставить взвешенный сосуд и отсчитать от 30 до 100 капель.
5. Тщательно измерив массу сосуда с каплями, определить массу капель.
6. Вычислить поверхностное натяжение по формуле (7).
7.. Опыт повторить 2 раза с другим количеством капель.
8. Найти среднее значение сравнить полученный результат с табличным значением поверхностного натяжения с учетом температуры.
9. Определить относительную погрешность методом оценки результатов измерений.
10. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу.
11. Сделать вывод.
Контрольные вопросы.
1. Почему поверхностное натяжение зависит от вида жидкости?
2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры (см. таблицу)?
3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр канала трубки будет меньше?
| Температура, К | Поверхностное натяжение, Н/м 10-2 Н/м |
| 283 288 293 298 303 | 74,0·10-2 73,3·10-2 72,5·10-2 71,8·10-2 71,0·10-2 |
5. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если увеличить скорость падения капель?
Таблица: Поверхностное натяжение воды при различных температурах.
