 |
|
МЕТОДАМИ ОТРЫВА КАПЛИ И ПРОВОЛОЧНОЙ ПЕТЛИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
ОБОРУДОВАНИЕ: сосуд, имеющий кран (зажим) с наконечником, мерный цилиндр, стакан, миллидинамометр ДПН с принадлежностями, штатив, дистиллированная вода, проволочный крючок.
Свойства поверхности жидкости характеризуются величиной s, называемой поверхностным натяжением. Дать определение этой величины можно в различных формулировках:
s = A / S (1) – это работа, которую нужно совершить, чтобы увеличить изотермически площадь поверхности жидкости на единицу;
s = ЕПОВ / S (2) – это удельная поверхностная энергия (энергия единицы площади поверхности);
s = F / l (3) – это сила, действующая на единицу длины контура, ограничивающего жидкость.
Формула (3) является основной для расчета поверхностного натяжения в данной лабораторной работе.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Измерительная установка (рис. 1) представляет собой штатив, на стойке которого размещены две конструкции: 1) сосуд с водой, краном (зажимом) и наконечником для измерения поверхностного натяжения методом отрыва капли; 2) динамометр ДПН для измерения поверхностного натяжения методом отрыва проволочной петли. Назначение основных частей измерительных установок пояснено на рис. 1.
МЕТОД ОТРЫВА КАПЛИ
Рассмотрим процесс образования и отрыва капель, вытекающих из наконечника стеклянной трубки (рис. 2). По мере стекания жидкости по трубке на её конце образуется капля. Пока капля мала, она не отрывается, её удерживают силы поверхностного натяжения. Отрыв капли происходит в тот момент, когда её вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. В момент отрыва капли диаметр её шейки немного меньше внутреннего диаметра наконечника трубки. Для наконечников с внутренним диаметром от 2 до 5 мм можно приближенно считать, что диаметр шейки капли равен внутреннему диаметру наконечника трубки D. Следовательно, можно записать:
mg = l s или mg = p D s.
Отсюда 
(4)
 |
Массу одной капли m можно определить, измерив массу большого числа капель. Для этого надо накапать N капель, определить их общую массу М и разделить её на число капель. Можно также перелить воду в мерный цилиндр и, зная её объем и плотность, определить массу одной капли.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЛИ
1. Закройте кран сосуда (сдавите зажимом пластиковую трубку) и заполните сосуд водой.
2. Поставив стакан под наконечник трубки, отрегулируйте положение крана (зажима) так, чтобы капли образовывались не очень часто и их было удобно считать.
3. Замените стакан мерным цилиндром и отсчитайте 300–500 капель (или можно «накапать» определённый объём воды в мерный стакан).
4. Рассчитайте поверхностное натяжение по формуле
,
где r = 1000 кг/м3 – плотность воды, V – объём N капель, g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, D = (2,7 
0,1) мм – внутренний диаметр наконечника стеклянной трубки.
5. Вычислите погрешность измерения и результат запишите в виде:
.
МЕТОД ОТРЫВА ПРОВОЛОЧНОЙ ПЕТЛИ
В данной работе используется динамометр ДПН проекционный (в дальнейшем – динамометр), который измеряет силу от 0 до 10 мН с погрешностью 0,5 мН (рис. 1). Динамометр состоит из корпуса, внутри которого находится измерительная пружина, имеющая прямой конец с открытым зацепом. Открытый зацеп предназначен для соединения проволочной петли с измерительной пружиной динамометра. К корпусу динамометра прикреплена прозрачная шкала, проградуированная в миллиньютонах. В футляре динамометра расположены 5 проволочных петель размерами от 30 до 70 мм.
Сущность метода измерения иллюстрирует рис. 3. Жидкость смачивает погруженную в нее проволочную петлю. Если теперь медленно вытягивать петлю из жидкости, то необходимо для этого прикладывать всё возрастающую силу. Максимальная сила будет в момент разрыва пленки жидкости, когда две смачивающие петлю поверхности жидкости параллельны и вертикальны. Для этого случая формула (3) преобразуется к виду
, (5)
где Fупр – сила, измеренная динамометром в момент разрыва пленки жидкости, l – длина проволочной петли (длина петли в миллиметрах указана на футляре динамометра).
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДОМ ОТРЫВА ПЕТЛИ
1. Надеть на открытый зацеп измерительной пружины динамометра проволочную петлю длиной 30 мм. (Нельзя касаться горизонтальной части проволочной петли руками, т.к. грязь и жир с рук влияют на смачивание и искажают результаты опытов.)
2. Так как под действием веса проволочной петли пружина динамометра растянется, то при необходимости следует произвести установку нуля динамометра. Для этого надо, придерживая установочный винт (см. рис. 1), отвернуть стопорный винт динамометра; нажимая на установочный винт, установить стрелку динамометра параллельно шкале против нулевой отметки; завинтить стопорный винт.
3. Налить в стакан воды; воды должно быть столько, чтобы проволочная петля могла полностью в неё погрузиться.
4. Взять стакан с водой в руку, поднести к проволочной петле, полностью погрузить в воду горизонтальный участок проволочной петли; (если проволочная петля не погружается в воду, а плавает на её поверхности, то при помощи проволочного крючка следует «утопить» проволочную петлю в воду).
5. Медленно опускать стакан с водой вниз до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянущаяся за проволочной петлей.
6. Заметить по шкале динамометра при какой силе разорвалась пленка.
7. Убрать проволочную петлю в футляр динамометра. Если в результате измерений проволочная петля упала на дно стакана с водой, то её можно вытащить оттуда при помощи проволочного крючка, стараясь не трогать пальцами горизонтальный участок проволочной петли.
8. Вычислить поверхностное натяжение по формуле (5).
9. Проделать опыт с каждой проволочной петлей по одному разу, начиная с пункта 4. Чтобы уменьшить механический износ пластмассовых деталей динамометра, установку нуля динамометра следует производить только один раз для петли длиной 30 мм, а при измерениях с другими петлями надо вводить соответствующие поправки.
10. Заполнить таблицу:
| Длина проволочной петли l, мм | ||||
| Показание динамометра Fупр, мН | ||||
| Коэфф. пов. натяжения s, Н/м |
11. Вычислить погрешность измерений (используя коэффициенты Стьюдента и предполагая, что разные значения коэффициента поверхностного натяжения в четырёх опытах вызваны случайными ошибками).
12. Записать результат в виде
.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение поверхностному напряжению.
2. От каких факторов зависит поверхностное натяжение?
3. Предложите другие способы измерения поверхностного натяжения.
4. Перечислите факторы, влияющие на погрешность измерений в данной лабораторной работе.
5. Каковы особенности жидкого состояния вещества?
6. Что такое «ближний порядок» в расположении молекул?
7. Почему молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости?
8. Чем отличаются силы поверхностного натяжения от сил упругости?