Способ 3.Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости.

Цель работы: измерить средний диаметр капилляров.

Оборудование: сосуд с подкрашенной водой, полоска фильтровальной бумаги размером 120 х 10 мм, полоска хлопчатобумажной ткани размером 120 х 10 мм, линейка измерительная.

Содержание работы.

Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъём жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила, действующая на жидкость вверх, F_в не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:

F_в = mg.

    По третьему закону Ньютона сила F_в, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения F_пов, действующей на стенку капилляра по линии соприкосновения её с жидкостью:

F_в = F_пов.

    Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре (рисунок 1)

F_пов = mg. (1)

    Будем считать, что мениск имеет форму полусферы, радиус которой r равен радиусу капилляра. Длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равна длине окружности:

l = 2πr.

    Тогда сила поверхностного натяжения равна:

F_пов = σ2πr, (2)

где σ – поверхностное натяжение жидкости.

m = ρV = ρ πr²h. (3)

    Подставляя выражение (2) для F_пов и массы (3) в условие равновесия жидкости в капилляре, получим

σ2πr = ρ πr²hg,

откуда диаметр капилляра

D = 2r = 4σ/ ρgh. (4)

Порядок выполнения работы.

1. Полосками фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в стакане (рисунок ), наблюдая поднятие воды в полосках.

2. Как только прекратится подъём воды, полоски выньте и измерьте линейкой высоты h₁ и h₂ поднятия в них воды.

3. Абсолютные погрешности измерения Δ h₁ и Δ h₂ принимают равными удвоенной цене деления линейки.

  Δ h₁ = 2 мм;    Δ h₂ = 2 мм.

4. Рассчитайте диаметр капилляров по формуле (4).

D₁ = 4σ/ ρgh₁

D₂ = 4σ/ ρgh₂.

Для воды σ ± Δσ = (7, 3 ± 0, 05)х10^-2 Н/ м.

5. Рассчитайте абсолютные погрешности Δ D₁ и Δ D₂ при косвенном измерении диаметра капилляров.

Δ D₂ = D₂(Δσ/ σ + Δ h₂/ h₂).

Погрешностями Δ g и Δ ρ можно пренебречь.

6. Окончательный результат измерения диаметра капилляров представьте в виде

D₁ ± Δ D₁ =

D₂ ± Δ D₂ =

Способ 4.Определение коэффициента поверх­ностного натяжения жидкости методом отрыва кольца.

Оборудование: Стойка с пружиной, металлическое кольцо с тонкими стенками, чашка с жидкостью, разновесы.

Теоретическая часть

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твёрдым, поэтому сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. В жидкостях наблюдается так называемый ближний порядок врасположении частиц.

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Поскольку взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния r, силами притяжения можно пренебречь. Это расстояние (порядка 10^{-9 м) называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса} rназываетсясферой молекулярного действия.

Каждая молекула, находящаяся внутри однородной жидкости, испытывает притяжение со стороны всех сосед­них молекул, нахо­дящихся внутри сферы молекулярного дейст­вия, центр которой совпадает с данной молекулой (рис. 1). Cследовательно, результирующая сила, действующая на молекулы внутри жид­кости, равна нулю.

Если молекула находится вблизи поверхности (на расстоянии, меньшем, чем r), то на неё действует результирующая сила, направленная внутрь жидкости. Это приводит к тому, что часть молекул покидает поверхностный слой, уходит внутрь жидкости, а расстояние между ними становится таким, что приводит к увеличению потенциальной энергии этих молекул и к возникновению сил поверхностного натяжения, действующих вдоль поверхности жидкости. Добавочная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя по сравнению с молекулами внутри жидкости, получила название поверхностной энергии . Силы поверхностного натяжения направлены на сокращение площади поверхности жидкости, и в условиях равновесия площадь поверхности принимает наименьшее значение, соответствуя минимальной поверхностной энергии. Если, например, капля жидкости попадает в невесомость, то она под действием сил поверхностного натяжения принимает шарообразную форму, т.к. при заданном объеме тело имеет наименьшую площадь при шарообразной форме.

Добавочная потенциальная энергия пропорциональна площади поверхности, т.е.

                                          (1)

где  - коэффициент поверхностного натяжения, численно равный энергии единицы площади поверхности жидкости.

Используя выражение (1), можно выразить коэффициент поверхностного натяжения через силу поверхностного натяжения.

Рассмотрим жидкостную плёнку на прямоугольном каркасе, одна из сторон которого длиной  может перемещаться под действием внешней силы  (рис. 2). Эта сила совпадает по модулю с удвоенной силой поверхностного натяжения ( ), которая стремится сократить поверхность жидкости, и направлена вдоль поверхностей противоположно силе (у плёнки две поверхности, поэтому при равновесии ).

^{Работа внешней силы увеличивает поверхностную энергию: А=2Fн Х                        (2)}

^{Подставив (2) в (1), и учитывая, что площадь двух поверхностей равна , получаем:}

^{, т.е.}

^{,                                      (3)}

^{- коэффициент поверхностного натяжения, численно равный силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура.}

Из формул (1) и (3) видно, что единица измерения коэффициента поверхностного натяжения .

Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от природы и состояния жидкости, от температуры и наличия примесей.