 |
|
Описание установки и вывод расчетной формулы
Используемый в данной работе прибор изображен на рис.6.
Он состоит из широкой металлической трубки 3, один конец которой присоединен к спиртовому манометру 5. В другой ее конец с помощью резиновой пробки вставляется капилляр 1, который опускается в стеклянный стаканчик 2 с исследуемой жидкостью. К середине металлической трубки подсоединен широкий полый металлический цилиндр 9, который опускается в стакан с водой 4. Изменяя высоту положения столика 6, на котором стоит стакан 4, можно изменять давление в данной системе. Положение столика 7, на котором стоит стаканчик 2, также можно менять с помощью винта 8.
Если в стаканчик 2 с исследуемой жидкостью опустить капилляр, то в случае смачивания жидкости его стенок, жидкость поднимется в капилляре на некоторую высоту h. В данной работе исследуются только смачивающие стекло жидкости: вода и спирт. Явление поднятия жидкости, смачивающей стенки в капилляре, обусловлено возникновением разности давлений ( 
) по разные стороны кривой поверхности жидкости (рис.5а).
Эта разность давлений для случая сферической поверхности жидкости в капилляре определяется формулой (6): 
(7)
Из рис. 5а имеем: 
(8)
А при полном смачивании, когда Q=0, 
(9)
В нашем случае р1 - есть атмосферное давление, а р2 - давление жидкости на уровне мениска, причем р1 = р2 – ρgh. Здесь rgh - гидростатическое давление столба жидкости в капилляре, где r - плотность жидкости, g - ускорение свободного давления, h - высота ее поднятия. Следовательно,
(10)
Сравнивая формулы (9) и (10), получим 
(11)
Из формулы (11) видно, что, измерив высоту поднятия жидкости и радиус капилляра, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле: 
(12)
Однако измерить точно высоту поднятия жидкости в капилляре трудно. Поэтому в работе используется метод компенсации разности давлений. Если создать в капилляре над жидкостью избыточное давление, то при некотором его значении ризб. уровень жидкости в капилляре сравнивается с уровнем жидкости в стаканчике 2. Это избыточное давление, которое можно измерить манометром, равно 
где 
- плотность жидкости в манометре, Н - разность высот в коленах манометра.
Тогда коэффициент поверхностного натяжения жидкости вычисляется по формуле: 
или 
(13)
где d - диаметр капилляра.
Выполнение работы
Задание 1. Измерение диаметра капилляра
Диаметр капилляра определяется с помощью измерительного микроскопа. Для этого в вертикальном положении капилляр помещают на предметный столик микроскопа и добиваются резкого изображения его торца.
Подводят капилляр с помощью микрометрических винтов микроскопа в положение 1 и делают отсчет а1 по шкале и микровинту микроскопа. Переводят капилляр в положение 2 и снова делают отсчет а2 (рис.).Разность между двумя отсчетами (а2-а1) даст диаметр капилляра d.
Поворачивая капилляр вокруг центральной оси, делают еще не менее двух измерений диаметра капилляра и рассчитывают среднее значение.
Задание 2. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
1. 
Капилляр 1 промывают дистиллированной водой, затем исследуемой жидкостью и вставляют в трубку 3. Стакан с водой 4 с помощью поворотного столика 6 опускается так, чтобы вода не заходила в металлический цилиндр 9. Уровни жидкости в манометре 5 должны быть одинаковы.
2. 2. На столик 7 помещают стеклянный стаканчик 2 с исследуемой жидкостью и закрепляют столик винтом 8 в таком положении, чтобы капилляр был погружен в жидкость на 2-3 мм. При этом жидкость в капилляре поднимется и установится на некоторой высоте.
3. Вращая столик 6, медленно поднимают стакан с водой 4, вода заполняет объем металлического цилиндра 9 и в системе повышается давление. В момент, когда уровень жидкости в капилляре 1 сравняется с поверхностью исследуемой жидкости в стаканчике 2, производят отсчет Н разности уровней по манометру 5. Очевидно, что в этот момент компенсирующее давление станет равным дополнительному давлению поверхностного слоя жидкости в капилляре.
4. Опыт необходимо повторить не менее пяти раз, затем найти среднее значение разности уровней в манометре Н и результаты занести в таблицу.
| №п/п | Н, мм | DН, мм | a, дин/см | Da, дин/см | Da/a, в % |
| …. | |||||
| Ср. |
5. По формуле (13) вычислить значение коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости, абсолютную и относительную погрешности измерений. Диаметр капилляра определяется с помощью микроскопа или дается преподавателем.
Плотность жидкости (спирта) в манометре 
=0,79 г/см3.
Учебное издание
Практикум по механике и молекулярной физике
Учебное пособие для вузов
Составители:
Сидоркин Александр Степанович
Миловидова Светлана Дмитриевна
Рогазинская Ольга Владимировна
Лазарев Александр Петрович
Нестеренко Лолита Павловна
Косцов Александр Михайлович
Редактор