Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа (стр. 1 из 6)

Министерство образования Российской Федерации

Нижнетагильский государственный педагогический институт

кафедра физики и МПФ

Сикритов А.Н.

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа

Выпускная квалификационная работа по физике

Научный руководитель:

доцент кафедры

физики и МПФ

Колесников Н.И.

Рецензент:

Допуск к защите учитель физики

зав. кафедры I категории школы №25

физики и МПФ Бабайлова Н.И.

______________

Фискинд Е.Э.

“___” ______ 200 г.

Нижний Тагил

2002

Содержание

Введение....................................................................................... 3

Глава I. Определение коэффициента поверхностного натяжения.... 6

§1. Явление поверхностного натяжения...................................... 6

§2. Экспериментальные методы определения коэффициента поверхностного натяжения....................................................... 16

§3. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа................................................ 29

Глава II. Обработка экспериментальных данных......................... 35

§1. Экспериментальные результаты.......................................... 35

§2. Методическая разработка лабораторной работы «Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды»..................... 37

Заключение................................................................................. 44

Литература................................................................................. 45

Введение

В процессе проведения физического практикума необходимо научить учащегося творчески подходить к исследовательской работе, правильно выбирать методику эксперимента и измерительные приборы.

Ученики должны научиться понимать и применять теорию изучаемого явления [6].

Сознательное выполнение эксперимента, внимательность и сосредоточенность на процессе измерений, бережное отношение к приборам – необходимые условия успешного проведения
опыта [7].

Учащийся заранее должен ознакомиться с установкой, на которой ему предстоит выполнять лабораторную работу, и сделать ориентировочные измерения.

Многие учителя физики проводят в настоящее время те или иные работы, связанные с физическим экспериментом: организуют практикумы, различные физические кружки, дают домашние экспериментальные задания и т.д. Среди этих разнообразных форм обучения, приводящих к всестороннему развитию учащихся, особенно большое значение имеют классные лабораторные
работы [10].

Фронтальный метод постановки лабораторных занятий по физике в средней школе, как известно, имеет ряд весьма важных положительных сторон. Это прежде всего даёт возможность тесно связать лабораторные работы учащихся с изучаемым курсом. Благодаря фронтальному методу лабораторные занятия могут быть поставлены как введение к тому или иному разделу курса, или как иллюстрация к объяснению учителя, или как повторение и обобщение пройденного материала [13].

Таким образом, лабораторный эксперимент учащихся становится необходимым звеном в процессе обучения, значительно помогающим усвоению материала, как и демонстрационные опыты [4].

Всё вышеизложенное объясняет актуальность темы выбранной выпускной квалификационной работы: явление поверхностного натяжения входит в обязательный минимум содержания определяемый государственным образовательным стандартом, особенно в школах теоретическое обучение необходимо подтверждать экспериментом.

Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе и вузе в области изучения строения и свойств жидкости.

Предмет исследования: экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Цель: изучение существующих методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

– углублённое изучение явления поверхностного натяжения;

– ознакомиться с существующими методами определения коэффициента поверхностного натяжения и выявить те, которые можно использовать в школьном курсе;

– отработать методику экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения воды методом компенсации давления Лапласа.

В первой главе рассматриваются: явление поверхностного натяжения, экспериментальные методы определения коэффициента поверхностного натяжения, а также определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа.

Во второй главе анализируются экспериментальные результаты данного опыта и приводится методическая разработка лабораторной работы «Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды».

В заключении сделаны основные выводы о работе.

Глава I. Определение коэффициента поверхностного натяжения

§1. Явление поверхностного натяжения

Изучим одно из свойств поверхности жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с её собственным паром, с твёрдым телом, в частности со стенками сосуда.

Возьмём катушку и выдуем мыльный пузырь. Как только мы отнимем катушку от рта, плёнка мыльного пузыря начнёт сокращаться, он уменьшится, а затем исчезнет. Взяв проволочное кольцо с привязанной к нему в двух толчках нитью, получим на нём мыльную плёнку (рис.1, а). На плёнке нить лежит свободно. Прорвём плёнку с одной стороны нити. Оставшаяся часть плёнки сократилась, натянув нить (рис.1, б). Получим плёнку на проволочной рамке, одна перекладина которой подвижна
(рис.1, в). В этом случае плёнка тоже сократилась, подняв перекладину [15].

Выясним, чем обусловлено свойство поверхности жидкости сокращаться. На рис. 2 изображены три молекулы и сферы их действия. Молекулярные силы, действующие на молекулу 1 со стороны молекул, находящихся в сфере молекулярного действия, взаимно уравновешиваются. В иных условиях оказывается молекула 2 на поверхности жидкости. Над ней имеется пар жидкости, действием молекул которого можно пренебречь. При таком условии молекулярные силы, действующие на молекулу 2, оказываются неуравновешенными, их равнодействующая R направлена в глубь жидкости перпендикулярно к её поверхности. В таком состоянии находятся все молекулы поверхностного слоя толщиной в радиус сферы молекулярного действия (приблизительно слой в 1-2 молекулы).

Чтобы молекула 3 оказалась в поверхностном слое жидкости, над ней надо совершить работу против сил, втягивающих её в глубь жидкости. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии окружающих её молекул; в результате работы увеличивается потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости.

Оказавшись в поверхностном слое, молекула станет обладать большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Таким избыточным запасом потенциальной энергии обладают все молекулы поверхностного слоя жидкости. Эта энергия прямо пропорциональна величине поверхности жидкости.

Из курса механики известно, что начиная от атома всякая система, включая галактики, при равновесии находится в таком состоянии (из всех возможных), при котором запас её потенциальной энергии минимальный. Применительно к поверхности жидкости это означает, что данная поверхность должна сокращаться (если возможно) до минимума, тогда запас потенциальной энергии поверхностного слоя станет наименьшим. Это сокращение вызывается молекулярными силами, действующими вдоль поверхности жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения [1]. Наличием силы поверхностного натяжения и объясняется сокращение плёнки в вышеописанных опытах. Сила поверхностного натяжения, сокращая поверхностный слой, придаёт капле жидкости форму шара, вызывает слипание намоченных водой волос, слипание мокрого песка. Вектор силы поверхностного натяжения F направлен перпендикулярно к любому элементу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости, и касательно к этой поверхности (рис. 1, в). В случае, если поверхность жидкости плоская, то вектор силы поверхностного натяжения лежит в плоскости поверхности жидкости.

Выясним, как можно измерить силу поверхностного натяжения. Получив мыльную плёнку на проволочной рамке, чтобы она не перемещалась, приложим к ней силу F. Сторона АВ этой рамки подвижна (рис. 1, в). Сила поверхностного натяжения плёнок (одна из которых находится по одну сторону рамки, а другая – по другую) равна весу проволоки АВ и грузика. Если так определять силу натяжения поверхностного слоя, например воды, керосина и т.д., то оказывается, что у разных жидкостей она различна. Для сравнения сил поверхностного натяжения различных жидкостей введена величина, называемая коэффициентом поверхностного натяжения. Величина, характеризующая свойство поверхности жидкости сокращаться и измеряемая силой поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии на поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения [8]. Если обозначить длину границы поверхности жидкости l, силу поверхностного натяжения одной плёнки, действующей на этой границе, - F, то коэффициент поверхностного натяжения будет

. (1)

Коэффициент поверхностного натяжения имеет наименование н/м. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения чистых жидкостей уменьшается [1].

Асимметрия сил взаимодействия молекул переходного слоя[1] с окружающими их (в пределах объёма молекулярного действия) молекулами приводит, как известно, к представлению о наличии тангенциальных и нормальных относительно поверхности раздела фаз сил, действующих на молекулы переходного слоя [2]. Это – силы поверхностного межфазового натяжения и молекулярного давления.