Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.
Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости
Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости стремится уменьшить потенциальную энергию и сокращается. При этом совершается работа А:
где σ — коэффициент поверхностного натяжения. Единицы измерения Дж/м 2 или Н/м
или
где F – сила поверхностного натяжения, l – длина границы поверхностного слоя жидкости.
Поверхностное натяжение можно определять различными методами. В лабораторной работе используется метод отрыва капель.
Опыт осуществляют со шприцом, в котором находится исследуемая жидкость. Нажимают на поршень шприца так, чтобы из отверстия узкого конца шприца медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести Fтяж=mкапли·g равна силе поверхностного натяжения F, граница свободной поверхности – окружность капли
Опыт показывает, что dкапли =0,9d, где d – диаметр канала узкого конца шприца.
Массу капли можно найти, посчитав количество капель n и зная массу всех капель m.
Масса капель m будет равна массе жидкости в шприце. Зная объем жидкости в шприце V и плотность жидкости ρ можно найти массуm=ρ·V
1. Подготовьте оборудование: Начертите таблицу:
опыта
Масса капель
m, кг
Число капель
n
Диаметр канала шприца
d, м
Поверхност-ное натяжение
σ, Н/м
Среднее значение поверхностного натяжения
Табличное значение поверхност-ного натяжения
Источник
ИНФОФИЗ — мой мир.
Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь
Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь
Как сказал.
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Список лекций по физике за 1,2 семестр
Я учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.
Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.
Начертили таблицу:
опыта
Масса капель
m, кг
Число капель
n
Диаметр канала шприца
d, м
Поверхност-ное натяжение
σ, Н/м
Среднее значение поверхностного натяжения
Табличное значение поверхност-ного натяжения
Относительная погрешность
δ %
Вычисляем поверхностное натяжение по формуле
Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:
Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.
Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 41,76% совпадает с табличным значением.
Ответы на контрольные вопросы.
1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.
2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?
Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами — уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.
3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g — ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.
4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?
Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула .
По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.
5. Почему следует добиваться медленного падения капель?
При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.
Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.
Источник
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости: методом отрыва петли
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости: методом отрыва петли.
· исследовать на опыте коэффициент поверхностного натяжения жидкости,
· определить коэффициент поверхностного натяжения воды при различных температурах.
Теоретические основы работы
Коэффициент поверхностного натяжения определяется по формуле:
гдеА – работа, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости на S. Учитывая, что
где Fотр — сила отрыва проволоки, F0 – сила тяжести проволоки, l – длина проволоки, d – диаметр проволоки, получаем
.(2)
· динамометр (прибор для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости),
· штатив с муфтой и лапкой,
Установка параметров измерения
· частота – 10 замеров в секунду
· длительность – 10 секунд
Монтаж экспериментальной установки
Порядок проведения эксперимента
1. Укрепите динамометр на штативе и подвесьте к нему петлю 60 мм. Отметьте и запишите в таблице показание динамометра. Это будет сила тяжести петли в воздухеF0.
2. Поставьте сосуд с водой и опускайте муфту с лапкой и динамометром, пока петля не окажется под водой. Аккуратно и потихоньку поднимать динамометр и посмотреть показания в момент отрыва петли. Это будетFотр.
3. По полученным данным вычислите выталкивающую силу, действующую на тело.
Сила тяжести петли в воздухе F0, мH
Сила отрыва петлиFотр, мH
Коэффициент поверхностного натяженияs,
1. Подготовьте к работе NOVA, подключите к NOVA датчик силы.
2. Начните регистрацию данных. Плавно и равномерно поднимайте петлю из воды. Следите за ростом показаний датчика.
3. Сохраните результат эксперимента.
Опыт 3. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от рода жидкости.
1. Плавно и равномерно поднимайте петлю из молока и других жидкостей.
2. Сохраните результат эксперимента.
Опыт 4. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры воды.
1. Плавно и равномерно поднимайте петлю из воды.
2. Сохраните результат эксперимента.
Обработка и анализ результатов
1. Откройте поочередно файлы опытов на NOVA
2. Распечатайте графики, используя табличные данные.
Ошибка! Закладка не определена.
2. По величине изменения силы тяжести в воздухе и при отрыве, используя формулу (2 ), рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения.
3. Сделайте выводы о характере зависимости коэффициент поверхностного натяжения от рода жидкости.
4. Сравните теоретические и экспериментальные значения. Сделайте вывод.
Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР
1. Как объяснить стремление жидкости сократить свою свободную поверхность?
2. На что затрачивается работа при увеличении поверхности жидкости?
3. Дать два определения коэффициента поверхностного натяжения. Единицы его измерения.
5. Как направлена сила поверхностного натяжения в момент отрыва кольца?
6. Как и от чего зависят силы молекулярного взаимодействия и коэффициент поверхностного натяжения?
7. Можно ли определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва кольца, если жидкость не смачивает кольцо?
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости капельным методом
Оборудование: сосуд с водой, пипетка, бюретка, штангенциркуль, клинышек, штатив с муфтой и лапкой, весы и набор разновесов, емкость для сбора капель, сосуд с неизвестной жидкостью.
В этой работе коэффициент поверхностного натяжения жидкости определяется методом отрыва капель. Такой метод называется сталагмометрическим (от греческих слов stalagma — капля и metron — мера).
Для проведения измерений используется установка, состоящая из штатива с муфтой и лапкой, на котором установлена бюретка с исследуемой жидкостью, изображённая на правом рисунке:
.
Жидкость, медленно вытекающая из узкого кончика бюретки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли от кончика бюретки происходит в тот момент, когда сила тяжести, действующая на каплю, станет равной равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих на границе соприкосновения отрывающейся капли с кончиком бюретки:
Измерив радиус «шейки» капли в момент ее отрыва, а также массу оторвавшейся капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения жидкости:
где m – масса одной капли, g – ускорение свободного падения, σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, а 2 πr – длина окружности шейки капли в момент отрыва. Отсюда:
0Для повышения точности измерений обычно отсчитывают несколько десятков капель, измеряют их общую массу, а потом. Разделив общую массу всех оторвавшихся капель на их количество, находят значение массы одной капли. Для этой же цели — для достижения необходимой точности в определении радиуса шейки капли — изображение отрывающейся каплю проектируют с известным увеличением на экран, где и производится измерение ее диаметра с учетом этого увеличения.
Но обычно диаметр шейки капли принимают примерно равным диаметру отверстия нижнего кончика бюретки. Внешний диаметр этого отверстия измеряют штангенциркулем или микрометром, а для измерения его внутреннего диаметра кроме этих измерительных приборов используют маленький клинышек.
Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше. При внимательном наблюдении за поведением отрывающихся капель можно заметить, что на самом деле капля не отрывается по линии окружности шейки. В тот момент, когда масса капли достигает значения, определяемого равенством силы тяжести и сил поверхностного натяжения, ее шейка начинает быстро сужаться, как это показано на рисунке г, причем обычно вслед за отрывающейся каплей сразу образуется еще одна маленькая капелька, как это показано на рисунке д.
Задание №1. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды с помощью бюретки
Наполните бюретку водой, отрегулируйте скорость падения капель так, чтобы капли падали достаточно медленно и вам было удобно их считать (примерно 20–30 капель за две минуты).
Взвесьте пустую емкость для сбора капель.
Отсчитайте в эту емкость несколько десятков капель
Затем взвесьте эту емкость с «каплями».
Определите массу одной капли.
С помощью штангенциркуля измерьте внешний диаметр кончика бюретки, а затем определите его внутренний диаметр с помощью клинышка
Определите коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле (3), подставляя в нее сначала значение внешнего диаметра, а затем внутреннего диаметра кончика бюретки.
Занесите полученные результаты в таблицу:
Масса пустого сосуда
Масса сосуда с каплями
Масса одной капли
Коэффициент поверхностного натяжения
Повторите опыт еще два раза, изменяя количество капель.
Все полученные данные внесите в таблицу.
Задание №2. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды с помощью пипетки
Возьмите вместо бюретки пипетку и определите с ее помощью коэффициент поверхностного натяжения воды тем же способом, что и в первом задании.
Для записи полученных результатов можно сделать новую таблицу или продолжить уже существующую.
Сравните результаты, полученные при выполнении первого и второго заданий.
Как вы думаете, какой из этих двух способов точнее – первый или второй?
Задание №3. Определение коэффициента поверхностного натяжения с помощью эталонной жидкости
В этом задании коэффициент поверхностного натяжения неизвестной жидкости будет определяться путем сравнения с коэффициентом поверхностного натяжения эталонной жидкости — воды, значение которого известно и составляет 7,3 10-2Н/м.
Из формулы sследует, что коэффициенты поверхностного натяжения эталонной и неизвестной жидкости будут отличаться во столько же раз, во сколько раз отличаются массы их капель.
Налейте в бюретку неизвестную жидкость и отрегулируйте скорость падения капель так, чтобы капли падали достаточно медленно и вам было удобно их считать (примерно 20–30 капель за две минуты).
Взвесьте пустую емкость для сбора капель.
Отсчитайте в эту емкость несколько десятков капель
Затем взвесьте эту емкость с «каплями».
Определите массу одной капли.
Заполните таблицу результатов этих измерений для неизвестной жидкости:
Масса пустого сосуда
Масса сосуда с каплями
Масса одной капли
Коэффициент поверхностного натяжения
Используя данные первого задания, рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения неизвестной жидкости не по формуле, а сравнивая его значение с эталонным (7,3 10-2Н/м):
Запишите формулу, по которой вы проводили эти расчеты.
Используя табличные значения, определите неизвестную жидкость.
Оцените точность этого способа определения коэффициента поверхностного натяжения по сравнению с тем, который вы использовали в первом задании.
Рассчитайте погрешности результатов измерений в каждом из трех заданий и оцените их достоверность в каждом задании.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ
Оборудование: бюретка на штативе, два часовых стеклышка (или стаканчика), весы с разновесами, термометр.
Характер движения молекул в жидкости отличается от движения молекул в газах и твердых телах. В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и поэтому движутся хаотично. В твердых кристаллических телах молекулы, располагаясь в правильном периодическом порядке, образуют кристаллическую решетку. В расположении молекул в твердых телах существует “дальний порядок”, который распространяется на миллион межатомных расстояний. Тепловое движение молекул сводится к их колебаниям около положения равновесия.
В жидкостях дальний порядок отсутствует. Молекулы жидкости колеблются около своих временных положений равновесия, при наличии свободного места перескакивают в другие положения и начинают колебаться около них. С ростом температуры увеличивается амплитуда колебаний и молекулы чаще покидают свои места. В расположении молекул в жидкости существует временный “ближний порядок” на расстоянии двух-трех молекулярных слоев.
Между молекулами жидкости действуют силы притяжения. Каждая молекула внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами и испытывает одинаковое притяжение во всех направлениях (внутреннее давление). Другое дело, когда молекула находится у поверхности и на нее действуют силы притяжения преимущественно с одной стороны.
Результирующая этих сил направлена внутрь перпендикулярно поверхности. Силы притяжения со стороны молекул газа над жидкостью незначительны. Ими можно пренебречь. Под действием результирующей силы, направленной внутрь, молекула погружается в жидкость, такое возможно для всех молекул поверхности. Но вследствие теплового движения другие молекулы изнутри выходят на поверхность. Втягивание молекул внутрь происходит с большой скоростью. То есть, поверхность жидкости стремится сократиться до минимума под действием сил поверхностного натяжения, направленных по касательной к поверхности жидкости и нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.
Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения s, который численно равен силе f, действующей на единицу длины произвольной линии l, мысленно проведенной на поверхности жидкости:
. (1)
Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в
Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).
В настоящей работе s определяется методом отрыва капель. Жидкость, вытекающая из узкой трубки, образует у нижнего отверстия каплю, которая перед отрывом принимает грушевидную форму. Отрыв капли происходит в тот момент, когда вес капли P сравняется с силой поверхностного натяжения f, действующей по окружности в более узкой части капли (рис. 1).
Коэффициент поверхностного натяжения определяется из условия равновесия:
, (2)
где d – диаметр шейки капли, приблизительно равный диаметру трубочки, из которой вытекает жидкость.
Следует заметить, что диаметр шейки капли измеряется с большим трудом. В настоящей работе s неизвестной жидкости определяется путем сравнения с s0 эталонной жидкости (воды). В самом деле, можно записать условия равновесия в момент отрыва для обеих жидкостей , ; откуда:
, (3)
где – коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре, px и p0 – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной.
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
1. Наполните бюретку дистиллированной водой, отрегулируйте краник бюретки так, чтобы за две минуты вытекало 20–30 капель.
2. Взвесьте на аналитических весах стаканчик (или часовое стеклышко), отсчитайте в стаканчик 60–80 капель и снова взвесьте. Определите вес одной капли p0.
3. Наполните исследуемой жидкостью бюретку, отсчитайте в стаканчик 60–80 капель. Путем взвешивания определите вес одной капли px.
4. Определите коэффициент поверхностного натяжения спирта по формуле (3).
5. Опыт повторите три раза. Определите среднее , и конечный результат запишите в виде в единицах Н/м.
Список лекций по физике за 1,2 семестр
или 
Начертите таблицу:
.(2)
0Для повышения точности измерений обычно отсчитывают несколько десятков капель, измеряют их общую массу, а потом. Разделив общую массу всех оторвавшихся капель на их количество, находят значение массы одной капли. Для этой же цели — для достижения необходимой точности в определении радиуса шейки капли — изображение отрывающейся каплю проектируют с известным увеличением на экран, где и производится измерение ее диаметра с учетом этого увеличения.
. (1)
, (2)
, 
; откуда:
, (3)
– коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре, px и p0 – соответственно вес одной капли исследуемой жидкости и эталонной.
, 
и конечный результат запишите в виде 
в единицах Н/м.
