Лабораторна робота № 2.4

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву кільця

Мета роботи: визначити коефіцієнт поверхневого натягу води.

Теоретичні відомості

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч І) §2.23)

Рідкий стан займає за своїми властивостями проміжне становище між газами і кристалами. Зокрема, рідина як і кристалічне тіло, зберігає об’єм, але подібно до газів, не зберігає своєї форми.

Для кристалічного стану характерне упорядковане розташування частинок (атомів або молекул), а для газів – хаотичне. В розташуванні частинок рідини спостерігається так званий ближній порядок ‑ це упорядковане розташування по відношенню до довільної частинки найближчих до неї сусідів. В кристалічних тілах має місце далекий порядок – впорядковане розташування частинок по відношенню до довільної частинки спостерігається в межах значного об’єму.

Тепловий рух в рідинах має наступний характер: кожна молекула протягом деякого часу (час осілого життя) коливається біля положення рівноваги, після чого стрибкоподібно переходить до іншого положення на відстань порядку розмірів самої молекули. Таким чином, молекули лише повільно переміщуються всередині рідини, перебуваючи частину часу біля тимчасових положень рівноваги.

Сили взаємодій зменшуються із збільшенням віддалі між молекулами, тому кожна молекула рідини взаємодіє лише з молекулами, що входять в так звану сферу молекулярної дії.

Кожна молекула зазнає притягання зі сторони найближчих сусідів, що знаходяться в межах сфери молекулярної дії, центр якої співпадає з даною молекулою. Рівнодійна всіх сил для молекули, що знаходиться всередині рідини в середньому дорівнює нулю. Рівнодійна сил притягання, які діють на молекулу, що знаходиться в поверхневому шарі рідини, напрямлена всередину рідини (рис.1). Тому поверхневий шар рідини має меншу концентрацію молекул, ніж внутрішній, тобто виникають передумови скорочення площі поверхневого шару. Таке явище набуття відкритої поверхні рідини стану з мінімально можливою площею поверхні називають поверхневим натягом. Серед усіх фігур певного об’єму найменшу площу поверхні має куля. Тому крапля рідини, на яку не діють зовнішні сили, повинна внаслідок поверхневого натягу прийняти кулясту форму. Краплини рідини, для яких роль сили тяжіння мала, дійсно приймають форму кульок.

Внаслідок поверхневого натягу поверхня рідини утворює ніби деформовану плівку, в якій виникає сила, що «намагається» зменшити її площу. Цю силу називають силою поверхневого натягу F_п.н.. Вона спрямована вздовж поверхні рідини перпендикулярно до межі цієї поверхні. Експериментально доведено, що значення сили поверхневого натягу прямо пропорційне довжині контуру ℓ, який обмежує поверхню рідини.

(1)

Коефіцієнт a, що залежить від природи рідини, називається коефіцієнтом поверхневого натягу (або просто поверхневим натягом). Із співвідношення (1) видно, що коефіцієнт поверхневого натягу a чисельно дорівнює силі, прикладеній до одиниці довжини краю поверхневої плівки рідини.

З підвищенням температури a зменшується. При наближенні температури рідини до критичної коефіцієнт поверхневого натягу прямує до нуля. Це пояснюється тим, що в критичній точці різниця між рідким і газоподібним станами зникає. Окрім цього коефіцієнт поверхневого натягу залежить від домішок. Наприклад, розчин мила у воді зменшує її поверхневий натяг, а цукру – збільшує.

Концентрація молекул рідини поверхневого шару менша, ніж молекул внутрішніх шарів. На рис. 2 умовно зображено розміщення молекул поверхневого та внутрішнього шарів рідини. Оскільки відстані між молекулами поверхневого шару дещо більші за відстані між молекулами внутрішніх шарів, то вони мають надлишок потенціальної енергії міжмолекулярної взаємодії порівняно з молекулами внутрішніх шарів. Сума цих потенціальних енергій складає енергію всього поверхневого шару W_п, яка дорівнює

, (2)

де S – площа поверхні шару.

При контакті рідини із твердим тілом можлива ситуація за якої молекули твердого тіла сильніше притягуватимуть молекули рідини, ніж молекули рідини притягуватимуться між собою. У цьому випадку кажуть, що рідина змочує тверде тіло (рис. 3.а) і кут змочування θ між поверхнею рідини і твердим тілом гострий. Якщо , то має місце повне змочування рідиною твердого тіла. Наприклад, повне змочування спостерігається при контакті води із чистим склом. Якщо ж сили притягання між молекулами рідини більші, ніж між молекулами рідини і твердого тіла, то спостерігається незмочування рідиною твердого тіла (рис. 3.б, кут θ – тупий). Так, наприклад, поводить себе ртуть при контакті зі склом та багатьма іншими твердими тілами. При має місце повне незмочування.

Якщо капіляр (тонку трубку) занурити в рідину, то внаслідок явища змочування (незмочування) рідина підніматиметься (опускатиметься) в цьому капілярі. Таке втягування (виштовхування) рідини з капіляру називають капілярними явищами. Капілярні явища відіграють значну роль в природі, техніці, виробництві, будівництві тощо.

Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу використовують торсіонні терези зображенні на рис. 4. До коромисла цих терезів ниткою прив’язане мідне циліндричне кільце так, щоб твірні цього циліндра були вертикальними.

Якщо таке кільце занурити у воду, а потім витягувати за допомогою терезів, то внаслідок змочування міді водою, на кільце діятиме сила поверхневого натягу з боку води , вертикальна складова якої разом із силою тяжіння протидіятиме силі натягу нитки (рис. 5, де – сили поверхневого натягу, що діють на елементи довжин контуру кільця вздовж поверхні плівки рідини). Як видно з рис. 5 та 3.а, вертикальна складова сили поверхневого натягу з одного боку дорівнює

, (3)

а з іншого, згідно (1):

, (4)

де ℓ – сумарна довжина зовнішнього та внутрішнього кіл кільця.

Якщо зовнішній діаметр кільця D, внутрішній – d, а товщина кільця h, то

. (5)

При виведенні (5) враховано, що .

З виразів (3), (4), (5) знаходимо робочу формулу цієї лабораторної роботи

. (6)

Хід роботи

1. Відкрити кришку 7 і вийняти підвішене на нитці кільце 3.

2. Штангенциркулем виміряти зовнішній діаметр кільця D та товщину кільця h. Вимірювання виконати 5 разів, заносячи результати в таблицю.

3. Звільнити коромисло 8.

4. Повільно повертаючи (проти годинникової стрілки) поводок 6, сумістити контрольну стрілку 4 з контрольним штрихом циферблата 9. Записати покази стрілки 5 в .

5. Опустити кільце в посудину з водою. Повільно повертаючи (проти годинникової стрілки) поводок 6 добитися відриву кільця від поверхні води. Покази стрілки 5 записати в Т. Експеримент виконати 5 разів.

6. Обчислити за робочою формулою (6) кут θ для кожного випадку, враховуючи табличне значення коефіцієнта поверхневого натягу води .

7. Знайти середнє значення θ.

8. Обчислити абсолютну і відносну похибки, записати кінцевий результат.

Результати вимірювань

p = D p ₀ =

α = D α ₀=

= D D ₀=

D h ₀=

№	D,	h,	Т,	θ,	Δ θ,
СІ
1.
2.
3.
4.
5.
Ср.	----	----	----

Контрольні запитання

1. Описати характер розташування молекул в твердих тілах, рідинах і газах.

2. Що таке ближній і дальній порядок? Як він змінюється з температурою?

3. Які сили діють між молекулами рідини?

4. Пояснити причини виникнення поверхневого натягу. Який напрямок має сила поверхневого натягу?

5. Що таке коефіцієнт поверхневого натягу? Як він залежить від температури?

6. Чому за відсутності зовнішніх сил рідина має вигляд сфери?

7. Чому виникає явище змочування (незмочування) рідиною твердого тіла? У якому випадку змочування (незмочування) вважають повним?

8. Які явища називають капілярними?

9. Запишіть вираз для визначення енергії поверхневого шару рідини.

10. Виведіть робочу формулу.

Література

1. Навчальний посібник “Загальна фізика”, ч. І, ч.ІІ під редакцією Ковалець М.О., Олексина Д.І., Орленка В.Ф. Рівне НУВГП 2008

2. Трофимова Т.И. Курс физики.–М., "Высшая школа", 1990.

3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики.–М., "Высшая школа", 1989.

4. Савельев И.В. Курс физики.–М., "Наука", 1989, т.1–3.

5. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики. За ред. Лопатинського І.Є., Львів, “Бескид Біт” 2002.

6. Олексин Д.І., Мороз В.М. Загальна фізика. Частина 1. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчання. Рівне, 2002, 073-89.

7. Дубчак Д.І., Ковалець М.О., Орленко В.Ф., Никонюк Є.С., Шляховий В.Л. Загальна фізика. Частина 2. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчаня. Рівне, 2002, 073-90.

8. Кучерук І.М. та ін. Загальний курс фізики. У трьох томах, К., 1999.

Додаток 1

Приклад оформлення титульної сторінки

____________________________________________________

Дата добавления: 2015-05-24