- •Ен.Ф. 03 физика
- •Ен.Ф. 03 физика и биофизика
- •Лабораторный практикум
- •Молекулярная физика и термодинамика
- •Лабораторная работа № 45
- •Лабораторная работа № 45 Явление поверхностного натяжения жидкости. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
- •1 Общие сведения
- •2 Описание установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
2 Описание установки и вывод расчетной формулы
В комплект установки входит штатив с зеркалом и столиком, сосуд с жидкостью, кольцо на пружине.
Коэффициент поверхностного натяжения можно измерить методом отрыва кольца. Для этой цели применяется установка (рисунок 1).
Рисунок 1 Схема установки: 1 - столик; 2 - сосуд жидкостью; 3 –кольцо; 4 – площадка; 5 – стрелка: 6 – пружина; 7 – кронштейн; 8 - зеркало; 9 – миллиметровая шкала; 10 – винт; 11 – стержень;
12 – массивная плита
При погружении смачиваемого кольца в жидкость молекулы пограничного слоя жидкости взаимодействуют с материалом кольца с большей силой, чем друг с другом. При поднимании кольца вместе с ним поднимается и часть жидкости, увеличивается ее поверхность (рисунок 2). Для дальнейшего поднятия кольца нужно преодолеть его вес , вес поднятой жидкости и силу поверхностного натяжения, действующую по наружной и внутренней поверхности кольца. Вес поднимаемой жидкости учесть трудно, но им можно пренебречь по сравнению с силами поверхностного натяжения, если взять кольцо с достаточно тонкими стенками. Сила поверхностного натяжения жидкости, действующая по наружной и внутренней поверхности кольца, в соответствии с формулой (1)
F= = ,
где b — толщина кольца, м; — наружный и - внутренний диаметры кольца, м.
Рисунок 2 Кольцо, касающееся поверхности жидкости
По измеренной силе из последней формулы можно найти коэффициент поверхностного натяжения
. (4)
Установка, используемая в работе, исключает необходимость взвешивания кольца и предназначена для непосредственного измерения силы поверхностного натяжения F. Кольцо подвешивают на нежесткую пружину и поднимают столик, на котором установлен сосуд с исследуемой жидкостью. Смочив нижний край кольца, столик медленно опускают и отмечают на шкале наибольшее опускание стрелки в момент его отрыва от жидкости.
После этого нагружают плоскость над кольцом разновесками и добиваются того же растяжения пружины, что и в момент отрыва его от жидкости. Вес разновесок Р=mg при этом равен силе поверхностного натяжения F, т.е. Р = F. Тогда формулу (4) можно записать
. (5)
3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
3.1 При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить и законспектировать следующие библиографические источники:
- для неинженерных специальностей С. 191–202 /1/.
- для инженерных специальностей С. 128–134 /2/; С. 141–152 /3/.
3.2 Определить положение стрелки с помощью шкалы и зеркала до погружения кольца в воду. Посмотреть на шкалу в районе стрелки и увидеть её мнимое изображение в зеркале, в поле зрения глаза совместить это изображение с самой стрелкой, только в этом положении делать отсчет по шкале.
3.3 Налить в сосуд исследуемую жидкость (воду) и поставить на столик под кольцо. Вращая рукоятку, поднять столик до смачивания нижнего края кольца жидкостью. Медленно опуская столик, наблюдать за показанием стрелки, заметить её показание в момент отрыва от жидкости .
3.4 Определить удлинение пружины .
3.5 Опыт проделать не менее 5 раз.
3.6 Вычислить среднее значение удлинения пружины по формуле
,
где n – количество измерений.
3.7 Снять сосуд со столика.
3.8 Убрав промокательной бумагой прилипшие к кольцу капельки, нагрузить поверхность кольца разновесками, добиваясь среднего удлинения .
3.9 Определить массу гирь m.
3.10 Снять кольцо с пружины и измерить штангенциркулем значения внешнего диаметра кольца и толщины , записать в таблицу 1.
3.11 Вычислить среднее значение коэффициента поверхностного натяжения α по формуле (5).
3.12 Расчет погрешностей.
Вычислить значения абсолютных погрешностей удлинения как разности
3.13 Найти квадраты этих погрешностей, затем вычислить среднеквадратичное отклонение .
.
3.14 По таблицам коэффициентов Стъюдента (приложение А) найти для n и доверительной вероятности Р = 0,95.
3.15 Вычислить абсолютную погрешность для среднего значения по формуле:
.
3.16 Если полученное значение случайной погрешности , то для дальнейших расчетов взять инструментальную погрешность = 1 мм.
Таблица 1Результаты измерений и вычислений
№ п/п |
Обозначения физических величин |
||||||
D |
b |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||
3 |
|
|
|||||
4 |
|
|
|||||
5 |
|
|
|||||
Среднее |
|
|
3.17 Погрешность измерения определяется по формуле
. (6)
Произведем замену. Так как , то . Тогда формула (6) принимает окончательный вид
. (7)
где π = 3,14 0,005; g = (9,810,005) м/с2, ΔD и Δb в зависимости от точности штангенциркуля.
3.18 Результаты измерений и расчетов представить в таблице 1.
3.19 Зная относительную погрешность ε, определить абсолютную погрешность
.
3.20 Окончательный результат представить в виде
.
3.21 Сделать выводы (сравнить полученное значение с табличным значением для данной жидкости).