- •Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца
- •Теоретическая часть
- •Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжения воды.
- •Порядок выполнения работы
- •I. Градуировка пружины и определение её жёсткости
- •II. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости
- •Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости с некоторыми добавками
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Техника безопасности
- •Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца
Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжения воды.
Метод определения основан на взаимодействии с водой металлического кольца, радиус которого значительно больше толщины стенки. Кольцо смачивается водой, вследствие чего, когда его вынимают из воды возникает сила поверхностного натяжения, значение которой вместе с диаметром кольца позволяют определить коэффициент поверхностного натяжения воды. Смачивание (либо несмачивание) зависит от сил, возникающих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. При смачивании силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил между молекулами самой жидкости и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. В работе для определения коэффициента поверхностного натяжения используется формула (3), где экспериментально определяется сила поверхностного натяжения и длина контура.
Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.
К невесомой пружине (1) подвешено кольцо (2) массой . Указатель (3) отмечает координатуна шкале (4), соответствующую положению равновесия кольца на пружине (рис. 3,а). Сила тяжести кольцауравновешена силой упругости пружины:
, (4)
Если снизу поднести к кольцу чашку с жидкостью (рис. 3,б), то в результате смачивания кольцо сцепится с жидкостью. При опускании чашки с жидкостью вниз кольцо устремляется за жидкостью и растяжение пружины увеличивается. Между кольцом и поверхностью жидкости формируется жидкостная пленка создающая силу поверхностного натяжения , действующую по внутреннему и внешнему периметрам кольца. Согласно уравнению (3) получаем:
, (5)
где - радиус внутренней поверхности,- радиус внешней поверхности кольца. Пренебрегая толщиной стенки кольца по сравнению с радиусом формулу (5) можно записать
, (6)
где - диаметр кольца.
При дальнейшем опускании сосуда с жидкостью вниз кольцо отрывается от жидкости при условии
, (7)
где -сила упругости, обусловленная силой тяжести кольца и силой поверхностного натяжения. Из рисунков 3,а и 3,б видно, что
. (8)
Приравнивая уравнения (7) и (8), с учётом выражения (4), получаем:
. (9)
Приравниваем выражения (6) и (9) : .
Отсюда получаем формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения:
. (10)
Из формулы (10) следует, что для определения коэффициента поверхностного натяжения необходимо определить коэффициент жесткости пружины. Определениедостигается методом градуировки пружины.
Порядок выполнения работы
I. Градуировка пружины и определение её жёсткости
Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,а) на шкале (4) положение равновесия кольца , подвешенного на пружине.
Поместить на площадку, расположенную в середине кольца, груз массой (1г). Отметить с помощью указателя (3) (рис. 3,в) на шкале (4) новое положение равновесия кольца с грузом. Под действием груза пружина растянется на величину (). При этом сила упругости по закону Гука
.
Эта сила обусловлена силой тяжести, т.е.
, (11)
где - жёсткость пружины.
Из (11) следует:
. (12)
Вычислить жёсткость пружины по формуле (12).
Повторить опыты п.п. 2,3 для других масс (не менее пяти).
Найти среднее значение коэффициента жёсткости .
Результаты занести в таблицу 1.
Построить график зависимости .
По тангенсу угла наклона найти жёсткость пружины и сравнить её с, полученной в п.5.
Рассчитать относительную () и абсолютную () погрешности в определении жёсткости по формулам:
; (8)
,
где ибрать как погрешность прибора.
Таблица 1
-
№
кг
м
м
Н/м
Н/м
%
Н/м
1
2
3
4
5