Определение коэффициента поверхностного натяжения

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. Одним из таких динамических методов является метод дю Нуи (метод отрыва кольца), используемый в данной работе. Метод является классическим. Сущность его вытекает из названия. Металлическое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию.

Теория лабораторной работы

Теоретические сведения

Рассмотрим кольцо с наружным диаметром D и шириной b, касающееся поверхности жидкости (рис. 5).

При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверхностью образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой sp D, а внутренняя поверхность – с силой sp(D – 2 b).

Результирующая сила, удерживающая кольцо, равна

sp D +sp(D –2 b)=2sp(D – b).

В момент отрыва кольца от поверхности жидкости F =2sp(D – b), откуда

(3)

Диаметр и ширина кольца измеряются штангенциркулем, а сила поверхностного натяжения – с помощью динамометра. Если кольцо приводится в соприкосновение с поверхностью жидкости в сосуде, а затем оно поднимается до тех пор, пока не оторвется от жидкости, то по динамометру в момент отрыва кольца можно определить величину силы F, необходимой для отрыва кольца от жидкости. Зная эту силу, коэффициент поверхностного натяжения определяют по формуле (3).

Измерения и обработка результатов

1. В нескольких местах измерить наружный диаметр кольца D. Среднее из полученных значений занести в журнал наблюдений.

2. Аналогично измерить и записать в журнал наблюдений ширину кольца b.

3. Налить в резервуар исследуемую жидкость и, аккуратно опустив кольцо до соприкосновения с жидкостью, установить стрелку динамометра на 0.

Примечание: проследить, чтобы кольцо соприкасалось с жидкостью равномерно по всему своему периметру.

4. Аккуратно вращая подъемный винт динамометра, поднять кольцо до его отрыва от жидкости. Заметить и записать в журнал наблюдений показания динамометра (количество делений n) в момент отрыва кольца от жидкости. Зная цену деления динамометра с, определить и записать в журнал наблюдений значение силы поверхностного натяжения F.

5. Повторить опыт по определению силы F два раза, занося результаты измерений в журнал наблюдений.

6. Записать температуру, при которой производились измерения.

7. Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерения.

Журнал наблюдений

Номер измерения	D, м	b, м	n	с, Н / дел	F, Н	s Н / м	<s> Н / м	Относительная погрешность δ %

Расчет погрешностей измерений:

1). Расчет погрешности измерения силы:

1.1. F ₁ = ____; F ₂ = ____; F ₃ = ____.

1.2. < F > = (F ₁ + F ₂ + F ₃)/3 = ______________.

1.3. Δ F ₁ = < F > – F ₁ = __________________

Δ F ₂ = < F > – F ₂ = __________________

Δ F ₃ = < F > – F ₃ = __________________

1.4. (Δ F ₁)²= ____; (Δ F ₂)²= ____; (Δ F ₃)²= ____.

1.5. = ___________.

1.6. t_m = ____.

1.7. Δ F = t_m σ _F = _____________________.

1.8. (Δ F_пр)² = ____.

1.9. Т.к. Δ F >> Δ F_пр, то Δ F = _________.

1.10. F = < F > ± Δ F = __________.

1.11. δ = (Δ F / < F >)•100% = ________________.

2). Расчет погрешности измерения диаметра кольца:

2.1. D ₁ = ____; D ₂ = ____; D ₃ = ____.

2.2. <D> = (D₁ + D₂ + D₃)/3 = _______________.

2.3. Δ D₁ = <D> – D₁ = ____________________

Δ D₂ = <D> – D₂ = ____________________

Δ D₃ = <D> – D₃ = ____________________.

2.4. (Δ D ₁)² = ____; (Δ D ₂)² = ____; (Δ D ₃)² = ____.

2.5. = _______________.

2.6. t_m = ____. 2.7. Δ D = t_m • σ _D = __________.

2.8. Δ t _пр = ____ << Δ D = ____.

2.9. D = <D> ± Δ D = _________.

2.10. δ = (Δ D / <D>)×100% = ______________.

3). Расчет погрешности измерения толщины кольца:

3.1. b₁ = ____; b₂ = ____; b₃ = ____.

3.2. <b> = (b₁ + b₂ + b₃) / 3 = _______________.

3.3. Δ b₁ = <b> – b₁ = ____________________

Δ b₂ = <b> – b₂ = ____________________

Δ b₃ = <b>– b₃ = ____________________.

3.4. (Δ b₁)² = ____; (Δ b₂)² = ____; (Δ d₃)² = ____.

3.5. = _______________.

3.6. t_m = ____.

3.7. Δ b = t_m × σ _b = __________.

3.8. Δ t _пр = ____ << Δ b = ____.

3.9. b = <b > ± Δ b = _________.

3.10. δ = (Δ b / <b>)×100% = ______________.

4). Расчет погрешности вычисления коэффициента поверхностного натяжения:

4.1. Наиболее вероятное значение σ: = ________.

4.2. Находим частные производные:

ð σ /ðF = 1 / [2π(D – b)];

ð σ/ðD = – F / [2π(D – b)²];

ð σ/ðb = F / [2π(D – b)²].

4.4. Абсолютная погрешность:

=

__________________________.

4.5. <σ> = (σ₁ + σ₂ + σ₃)/3 = ____________________.

4.6. Окончательный результат: σ = < σ > ± Δσ = ______________.

4.7. Относительная погрешность:

δ = (Δσ / <σ>)×100% =_________________.

Контрольные вопросы

1. Особенности строения жидкости. Что называется «ближним порядком»?

2. Что называется явлением поверхностного натяжения?

3. Объясните двойной физический смысл явления поверхностного натяжения.

4. Объясните явление поверхностного натяжения с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

5. Как направлена сила поверхностного натяжения?

6. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? От чего он зависит?

7. Опишите устройство прибора для определения силы поверхностного натяжения.

8. Выведите формулу для определения величины s.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3-х т. М.: Наука, 1982. Т.1

2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Школа, 1985.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985.

4. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М.: Высш. школа, 1965.

5. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. – М.: Высш.школа, 1970.

 

Лабораторная работа № 24