Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа (стр. 6 из 6)

Искривлённая поверхность оказывают на жидкость дополнительное (лапласово) давление, действующее в направлении на центр кривизны поверхности. Рассмотрим сферическую каплю жидкости радиуса r. Её поверхность, стремясь сократиться оказывает на жидкость добавочное давление р_л. при уменьшении площади поверхности капли на dS поверхностные силы совершают изометрическую работу dА, равную убыли свободной энергии поверхности: dА=sdS. С другой стороны, dА=р_лdV, где dV – изменение объёма капли. Учитывая

(dV=4pr²dr) и S=4pr² (dS=8prdr), получаем 8prsdr=4pr²p_лdr, следовательно:

. (5)

Капиллярами называют трубки, радиус кривизны мениска жидкости в которых сравним с радиусом трубки. В них лапласово давление вызывает поднятие смачивающих и опускание несмачивающих жидкостей. Уровень жидкости в капилляре изменяется на такую величину h, чтобы гидростатическое давление p=rgh уравновесило лапласово давление

. Поверхность мениска в капилляре можно считать частью сферы (рис. 26), поэтому радиус кривизны мениска r=r₀/cosj, где r₀ – радиус трубки. Получим, что высота поднятия жидкости в капилляре:

. (6)

Измерив высоту h, радиуса капилляра r₀»r и зная плотность r, можно определить коэффициент поверхностного натяжения s. Однако точное измерение высоты h затруднено. В данной работе необходимо увеличить давление воздуха в капилляре до тех пор, пока уровни жидкости в капилляре и в сосуде не сравняются. Это произойдёт, когда давление воздуха над жидкостью сравняется с лапласовым. Измерив это давление, можно по формуле (3) вычислить коэффициент s жидкости.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Измерительным микроскопом определите внутренний диаметр капилляра восемь раз, поворачивая окуляр микроскопа со шкалой. Результаты измерений занесите в таблицу.

2. Вычислите постоянную К и её абсолютную погрешность.

3. Возьмите из пробирки с водой капилляр и при помощи резиновой груши смочите его изнутри примерно до половины, втянув воду из пробирки.

4. Вставьте верхний конец капилляра в резиновую трубку, а другой опустите в пробирку 1, как показано на рис. 9.1.

5. Поверните кран 3 так, чтобы капилляр сообщался с атмосферой.

6. Соедините краном 3 капилляр с манометром и с помощью сильфона выровняйте уровни жидкости в пробирке и в капилляре. Отсчитайте разность уровней жидкости в коленах манометра H.

7. Повторите измерения 10 раз.

№ опыта	H, м	s, Н/м	Ds, Н/м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
среднее

8. Вычислите по формуле (6) коэффициент s, найдите его абсолютную и относительную погрешности

9. Сравните найденное значение коэффициента поверхностного натяжения с табличными.

10. Напишите заключение.

r₀=998,23 кг/м³ (при t=20 ⁰C),

g=9,81 м/с².

Заключение

Широкое применение в нашей средней школе фронтальных лабораторных работ по физике в настоящее время является необходимостью. Оно должно привести, согласно современным методическим взглядам, проверенным практикой, к значительному и резкому повышению качества обучения физике; оно будет служить серьёзной опорой для борьбы не на словах, а на деле с «меловым» методом преподавания физики, насаждающим формализм в знаниях учащихся, т.е. отсутствия глубокого понимания самой сущности многих физических явлений. На фронтальных занятиях учащимся прививают правильные начальные практические навыки, которые в дальнейшем могут нормально развиваться и совершенствоваться.

В результате проведённого эксперимента были получены результаты коэффициента поверхностного натяжения, которые сравнимы с табличными данными.

Существующие экспериментальные методы определения коэффициента поверхностного натяжения для обычных школ недостаточны для школ с углублённым изучением физики. Вышеприведенная разработка лабораторной работы поможет учителям в школах с углублённых изучением предмета. Учащиеся таких образовательных учреждений смогут более углублённо ознакомиться с явлением поверхностного натяжения жидкостей.

Литература

1. Ковалёв П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. – Ростов: Университетское, 1975.

2. Ахматов А.С. Молекулярная физика. – М., 1963.

3. Покровский А.А., Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационные опыты по молекулярной физике и теплоте. – М., 1960.

4. Покровский А.А., Зворыкин Б.С. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. – М., 1956.

5. Бакушинский В.Н. Организация лабораторных работ по физике в средней школе. – М., 1946.

6. Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. – М.: Высшая школа, 1980.

7. Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1982.

8. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. – М.: Высшая школа, 1970.

9. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Гольдина Л.Л. – М.: Наука, 1983.

10. Беклемишев А.В. Методика и организация лабораторных занятий по физике в высшей школе. – М.: Советская наука, 1952.

11. Фетисов В.А. Лабораторные работы по физике. – М., 1961.

12. Павлов В.И. Механика, молекулярная физика. М., 1955.

13. Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. М.: Просвещение, 1970.

14. Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. – М.: Просвещение, 1976.

15. Стрючков И.А., Краев П.И. Руководство к лабораторным работам по молекулярной физике. – Ашхабад, 1981.

16. Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. – М., 1992.

17. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. – Л.: Наука, 1974.

18. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. – М., 1977.

19. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л., 1985.

[1] Тонкие поверхностные слои конденсированной фазы, толщина которых не превышает радиуса молекулярного действия, имеют, как известно иную структуру и иные физические свойства, чем вещество внутри фазы.

[2] Плёнка легко разрывается при прикосновении к её поверхности нагретым концом проволоки.

1 Около 30-40 капель в минуту.

2 Стаканчик необходимо поставить на горлышко колбы.