2.11. Лабораторная работа №11

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца

Цель работы: Экспериментальное измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца от поверхности исследуемой жидкости.

Приборы и принадлежности:технические весы с разновесом, штангенциркуль, металлическое кольцо, кювета с исследуемой жидкостью.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Сущность метода состоит в том, что измеряются силы, которые необходимо приложить, чтобы оторвать тонкое металлическое кольцо от поверхности жидкости.

Внешний вид установки представлен на рис. 16. Она представляет собой штатив, на которой укреплены весы В и подвижный столик для кюветы с исследуемой жидкостью Д. На левой чашке весов укреплен крючок К для подвешивания колец разного диаметра. Конструкция столика позволяет перемещать его и закреплять на разной высоте с помощью зажима С и, кроме того, плавно менять высоту с помощью винта А.

F



Рис. 16 Рис. 17

Отрыв (а точнее, разрыв поверхности) происходит по двум окружностям, диаметры которых D и d равны внешнему и внутреннему диаметрам кольца (рис. 17).

Общая длина линии разрыва

l = D + d . (1)

Обозначая толщину стенок кольца через h , имеем :

d = D - 2h . (2)

Подставив последнее выражение (2) в выражение (1) вместо d, находим:

l = 2(D - h) . (3)

Коэффициент поверхностного натяжения  численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии l:

. (4)

Тогда на основании (4) получаем расчетную формулу для определения :

. (5)

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Измерьте штангенциркулем внешний диаметр D и толщину h кольца.

2. Подвесьте кольцо к левой чашке весов, как показано на рис. 16. Уравновесьте весы с помощью песка. Песок насыпается совком мелкими порциями, чтобы не пропустить момент уравновешивания.

3. Отпустив зажим С, поднесите чашку с жидкостью к кольцу до его соприкосновения с поверхностью жидкости. Закрепите зажим С. Затем, плавно вращая винт А, опустите немного чашку с жидкостью так, чтобы весы вышли из состояния равновесия, и это было бы заметно глазом. Кольцо при этом должно удерживаться в воде силами поверхностного натяжения.

4. Осторожно насыпьте на вторую чашку весов столько песка, чтобы кольцо вышло из жидкости, преодолев силу поверхностного натяжения. Песок насыпается совком мелкими порциями, чтобы не пропустить момент отрыва кольца.

5. Отодвиньте столик в сторону. Осушите кольцо фильтрованной бумагой и уравновесьте весы с помощью гирь. Их вес, очевидно, равен силе поверхностного натяжения F.

6. Вычислите коэффициент  по формуле (5). Опыт произведите 3-5 раз.

7. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 14:

Таблица 14

№ опыта	D,м	h, м	F, H	, Н/м	, Н/м

Примечание:Если колец несколько, то в таблицу следует добавить следующие колонки для записи данных, и усреднения результатов производить для всех колец.

8. Запишите окончательный результат в виде:

Н/м,

где _ср – среднее значение  для всех опытов, _ср – среднеквадратичная погрешность измерения .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какова природа сил поверхностного натяжения?

2. Дайте несколько определений коэффициента поверхностного натяжения (КПН); покажите, что они эквивалентны.

3. В каких единицах измеряется КПН? Каков его физический смысл?

4. Какое направление имеют силы поверхностного натяжения? Сделайте рисунок к вашему ответу.

5. Чем объясняется тот факт, что при отсутствии внешних сил жидкость принимает форму шара?

6. Почему большая капля жидкости, лежащая на не смачиваемой поверхности, сплющивается сильнее, чем маленькая при наличии сил тяжести?

7. На сколько градусов нагревается капля воды, которая получи­лась от слияния пяти исходных капель радиусом по 1 см каждая (это происходит в условиях невесомости)?

8. В чем заключается опыт Плато?

9. Объясните, почему смазанная жиром иголка может удерживаться на поверхности воды?

10. Выведите расчетную формулу (5).