Лабораторная работа по физике «Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей» - http://efizika.ru/html5/190/index.html.

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Приборы и принадлежности: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель, термометр, блок управления.

Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент s  поверхностного натяжения жидкости.

Краткая теория

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости:                                  (1)

где l – длина участка контура, на который действует сила F (а также небольшое теоретическое введение об энергии поверхностного слоя и поверхностном натяжении жидкостей).

, , ,

1. Выберите жидкость

2. Установите температуру жидкости t

3. Измерьте массу сосуда с жидкостью m₁, поставив его на весы

4. Поставьте весы под шприц и нажмите кнопку «пуск», дождитесь когда со шприца упадёт не менее 30 капель и нажмите кнопку пауза.

5. Измерьте массу сосуда с жидкостью m₂, поставив его на весы.

6. Рассчитайте коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

7. Найдите среднее значение коэффициента поверхностного натяжения жидкости, найденного экспериментально.

8. Найдите в справочнике теоретическое значение коэффициента поверхностного натяжения жидкости данной жидкости.

9. Найдите абсолютную и относительную погрешность.

10. Сделайте вывод.

Лабораторная  работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды при комнатной температуре.

Приборы и принадлежности: 

сосуд с водой, шприцов (разных мл), мерный стакан, электронные весы.

1. КАПЛИ ЖИДКОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ.

Принцип эксперимента. Вывод расчетной формулы

Наблюдая за отрывом капли жидкости от вертикальной узкой трубки, можно определить коэффициент s  поверхностного натяжения жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости:

                                 (1)

где l – длина участка контура, на который действует сила F (а также небольшое теоретическое введение об энергии поверхностного слоя и поверхностном натяжении жидкостей).

Рассмотрим, как растет капля жидкости при выходе из узкой трубки. Размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает определенного размера (см. рис. 1 а).

                                         а                                 b                                         c

Рис. 1.

Пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв. Перед отрывом образуется сужение – шейка капли (рис. 1 b). Пока капля удерживается на конце капиллярной трубки, на нее будут действовать силы:

сила тяжести , направленная вертикально вниз и стремящаяся оторвать каплю (рис. 2);

силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно контуру l шейки капли.

Рис. 2.

Эти силы стремятся удержать каплю. Результирующая сила поверхностного натяжения  направлена вверх и равна

                              (2)

где l – длина контура шейки капли. Когда сила тяжести станет равна силе поверхностного натяжения произойдет отрыв капли:

                          (3)

Для модулей сил:

/F/=/-F/

С учетом (2) запишем:

Так как длина контура шейки капли

где d – диаметр шейки капли, следовательно

откуда

                                                                                                    (4) 

Масса одной капли

где r - плотность жидкости (для воды r = 1000 кг/м³), V_к – объем одной капли.

Если посчитать, сколько капель вытечет из капиллярной трубки в мерный стакан, и измерить их объем V, то можно найти объем одной капли:

Тогда коэффициент поверхностного натяжения можно рассчитать по формуле:

                                                                                                  (5)   

Формула (5) является рабочей расчетной формулой.

Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости дает хорошие результаты, несмотря на то, что в действительности отрыв капли происходит не совсем так, как описано выше.

В действительности капля не отрывается по линии окружности шейки. В момент, когда размер капли достигает значения, определяемого равенством (3), шейка начинает быстро сужаться (рис. 1 b), причем ей сопутствует еще одна маленькая капля (рис. 1 с).

Кроме того, в расчетах, диаметр шейки капли в момент отрыва можно принять равным внутреннему диаметру трубки, так как трубка достаточно узкая и ее диаметр сравним с диаметром шейки капли.

Для расчета s  по формуле (5) необходимо во время измерения следить за чистотой капилляра и воды. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения s  зависит от температуры исследуемой жидкости: с ростом температуры он уменьшается. При комнатной температуре 20 °С табличное значение  коэффициента s для дистиллированной воды s_табл = 72,5×10^-3 Н/м.

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И ОБРАБОТКА

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ( 1-метод)

В нашем опыте мы будем считать капли воды, вытекающие через иглу медицинского шприца.

На фотографии показаны предметы, которые потребуются для выполнения опыта (2 мм шприц, 2 емкости для воды, термометр, весы).

1. Измерить температуру окружающей среды.
2. Набрать в чистый стакан холодной воды или дистиллированной воду , максимально охладить воду (приблизительно до 10-12 ℃). Измерить температуру воды.
3. Подготовить небольшой чистый сосуд (чашечку, флакон, мерный стакан и т.п.), в который будет прокапываться вода. Взвесить пустой сосуд на электронных весах.
4. Приготовить шприцы для инъекций  различных объемом. В шприц набрать холодной воды и посчитать число капель N и измерить их объем в мерном стакане V, а также, зная диаметр капилляра d (по таблице 1 посмотреть для шприцов), написать все данные в таблицу результатов.
5. Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения по формуле (5). Значение диаметра капилляра d спросите у преподавателя или у лаборанта.
6. Прокапайте всю воду из шприца в сосуд, точно сосчитав количество капель N. Проделайте опыт при  температуре 3 раза. Рассчитайте среднее число капель Nср.
7. Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения с табличным (см. выше).
8. Рассчитать абсолютную Ds  и относительную Е погрешности искомой величины:

Таблица результатов  

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И ОБРАБОТКА

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ( 2-метод)

Рабочая установка состоит из сосуда с водой 1, укрепленного на штативе 5. (медицинская капельница)

Рис. 3.

К сосуду прикреплена капиллярная трубка 3 с клапаном 2. Клапан позволяет регулировать поток воды, вытекающей из сосуда 1 в мерный стакан 4.

При открытом клапане 2 вода капает из трубки 3 в мерный стакан 4. Если посчитать число капель N и измерить их объем в мерном стакане V, а также, зная диаметр капилляра d ( по таблице 1 посмотреть для шприцов), можно найти коэффициент поверхностного натяжения воды s.

1. Налить воду в сосуд 1.

2.      Открыть клапан 2, так чтобы вода из капиллярной трубки 3 вытекала по одной капле.

3.      Посчитать, сколько капель вытечет из трубки, чтобы мерный стакан был заполнен до объема V » 5¸20 мл (по указанию преподавателя) (1 мл = 10^-6 м³).

4.      Занести в таблицу число капель N  и объем V жидкости в мерном стакане.

5.      Опыт повторить 3 – 4 раза.

6.      Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения по формуле (5). Значение диаметра капилляра d спросите у преподавателя или у лаборанта.

7.      Измерить температуру окружающей среды.

8.      Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения с табличным (см. выше).

9.      Рассчитать абсолютную Ds  и относительную Е погрешности искомой величины:

                              и   

Таблица результатов  

3. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель работы?
2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?
3. Напишите рабочую формулу и поясните входящие в нее величины.
4. Опишите рабочую установку и порядок выполнения работы.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1.      Расскажите о явлении поверхностного натяжения жидкостей .

2.      От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкостей?

3.      Получите рабочую формулу (5).

Таблица 1

Таблица диаметров игл шприцев. Содержит калибр G (gauge), длину иглы, внутренний и внешний диаметры.

Внутренний диаметр - просвет иглы должен быть адаптирован к диаметру шприца.