Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжения воды.

 

Метод определения основан на взаимодействии с водой металлического кольца, радиус которого значительно больше толщины стенки. Кольцо смачивается водой, вследствие чего, когда его вынимают из воды, возникает сила поверхностного натяжения, значение которой вместе с диаметром кольца позволяют определить коэффициент поверхностного натяжения воды. Смачивание (либо несмачивания) зависит от сил, возникающих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. При смачивании силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил между молекулами самой жидкости и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. В работе для определения коэффициента поверхностного натяжения используется формула (3), где экспериментально определяется сила поверхностного натяжения и длина контура.

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.

К невесомой пружине (1) подвешено кольцо (2) массой . Указатель (3) отмечает координату  на шкале (4), соответствующую положению равновесия кольца на пружине (рис. 3,а). Сила тяжести кольца  уравновешена силой упругости пружины :

                       ,                   (4)

Если снизу поднести к кольцу чашку с жидкостью (рис. 3,б), то в результате смачивания кольцо сцепится с жидкостью. При опускании чашки с жидкостью вниз кольцо устремляется за жидкостью и растяжение пружины увеличивается. Между кольцом и поверхностью жидкости формируется жидкостная пленка создающая силу поверхностного натяжения , действующую по внутреннему и внешнему периметрам кольца. Согласно уравнению (3) получаем:

    , (5)

где  - радиус внутренней поверхности,  - радиус внешней поверхности кольца. Пренебрегая толщиной стенки кольца по сравнению с радиусом формулу (5) можно записать

              ,         (6)

где  - диаметр кольца.

При дальнейшем опускании сосуда с жидкостью вниз кольцо отрывается от жидкости при условии

      ,                    (7)

где - сила упругости, обусловленная силой тяжести кольца и силой поверхностного натяжения. Из рисунков 3,а и 3,б видно, что

    .                    (8)

Приравнивая уравнения (7) и (8), с учётом выражения (4), получаем:

             .                      (9)

Приравниваем выражения (6) и (9) :   . 

Отсюда получаем формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения:

. (10)

Из формулы (10) следует, что для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо определить коэффициент жесткости пружины . Определение  достигается методом градуировки пружины.

Порядок выполнения работы

I. Градуировка пружины и определение её жёсткости

1. Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,а) на шкале (4) положение равновесия кольца , подвешенного на пружине.

2. Поместить на площадку, расположенную в середине кольца, груз массой (1г). Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,в) на шкале (4) новое положение равновесия кольца с грузом . Под действием груза пружина растянется на величину ( ). При этом сила упругости по закону Гука

. 

Эта сила обусловлена силой тяжести, т.е.

,           (11)

где  - жёсткость пружины.

Из (11) следует:

              (12)

3. Вычислить жёсткость пружины по формуле (12).

4. Повторить опыты п.п. 2,3 для других масс (не менее пяти).

5. Найти среднее значение коэффициента жёсткости .

6. Результаты занести в таблицу 1.

7. Построить график зависимости .

8. По тангенсу угла наклона найти жёсткость пружины  и сравнить её с , полученной в п.5.

9. Рассчитать относительную ( ) и абсолютную ( ) погрешности в определении жёсткости по формулам:

;  (8)

,     

где   и  брать как погрешность прибора.

Таблица 1

№					Среднее значение К
	кг	м	м	Н/м	Н/м	%	Н/м
1
2
3
4
5

 

10. Запишите вывод.

 

II. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

 

1. Поставить чашку с водой на подъемный столик и, осторожно поднимая его, подвести поверхность воды к висящему на пружине кольцу до полного его сцепления с водой (рис.3,б).

2. Медленно опуская столик вниз определить с помощью указателя 3 на шкале 4 координату , соответствующую отрыву кольца от воды.

3. Результат занести в таблицу 2.

4. Задания пунктов 1 и 2 повторить 5-7 раз и определить среднее значение .

5. Значение положения равновесия  взять из таблицы 1.

6. По формуле (10) определить коэффициент поверхностного натяжения , полагая, что , а . Среднее значение  взять из таблицы 1. Диаметр кольца записан на установке.

7. Вычислить относительную и абсолютную погрешности определения коэффициента поверхностного натяжения по формулам:

;

    ,

где  и  взять из таблицы 1, а  и  определить как погрешности приборов.

Таблица 2

№
	м	м	м	Н/м	%	Н/м
1
2
3
4
5

 

III. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости с некоторыми добавками

1. По заданию преподавателя добавить в воду немного мыльного раствора.

2. Повторить пункты 1-6 предыдущего задания.

3. Сравнить результаты.

Ответить на вопросы.

1. Каковы особенности строения жидкости?

2. Что называется радиусом молекулярного действия?

3. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? В каких единицах он измеряется?

4. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

5. Какую форму стремится принять жидкость в отсутствии внешних сил? Почему?

6. Почему молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости?

7. Выведите формулу погрешности при определении коэффициента жесткости пружины.

8. Выведите формулу для вычисления погрешности при определении коэффициента поверхностного натяжения.

 

 

---

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 46; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!