Описание установки и вывод рабочей формулы метода

Если подвести сосуд под кольцо так, чтобы оно нижним основанием лишь слегка коснулось поверхности жидкости, кольцо как бы прилипнет. При этом жидкость начнет подниматься по стенкам кольца, а само кольцо втянется внутрь жидкости. Для отрыва кольца от поверхности надо приложить силу f, равную силе поверхностного натяжения. Отрыв, а точнее разрыв, поверхности происходит по двум окружностям, диаметры которых d₁ и d₂ равны внешнему и внутреннему диаметрам кольца (рис. 2-2.10). Общая длина линий разрыва . Обозначая толщину стенок через h, имеем выражение . Подставив последнее выражение вместо d₁, находим . На основании (5) получаем уравнение, по которому можно определить s:

Итак, эксперимент сводится к определению силы f, диаметра кольца d₂ и его толщины h.

Порядок выполнения работы

1. Измеряют штангенциркулем внешний диаметр кольца d₂ и определяют толщину стенок кольца h.

2. Подвешивают кольцо на левое коромысло весов и уравновешивают их с помощью разновеса.

3. Подводят под кольцо кюветку с исследуемой жидкостью так, чтобы оно только коснулось поверхности жидкости.

4. Осторожно нагружают правую чашку весов разновесами до тех пор, пока кольцо не оторвется от поверхности жидкости. Вес разновесок равен при этом силе поверхностного натяжения f.

Внимание! Рекомендуется класть разновесы на предварительно арретированные весы.

Опыт повторяют 3 – 5 раз.

5. По формуле (2-2.14) определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости s.

6. Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу 2-3.3

Таблица2-3. 3

№ опыта	d2, м	h, м	f, Н	s, Н/м	Ds, Н/м	, Н/м

Проводят статистическую обработку результатов по методу Стьюдента при a = 0,95.

Задача 4. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель

Приборы и принадлежности

Бюретка с краном на штативе, химический стакан, исследуемые жидкости, аналитические весы, отчетный микроскоп.

Вывод рабочей формулы метода

,

где 2r – диаметр шейки капли в момент отрыва. Отсюда

(2-2.15)

Как следует из формулы метода, эксперимент сводится к определению диаметра капли d и массы одной капли.

Порядок выполнения работы

1. Наполнить бюретку исследуемой жидкостью (объем 20 - 25мл) и с помощью крана добиваются равномерного падения капель в стакан.

2. Установить отсчетный микроскоп на уровне шейки капли, добиваются четкого ее изображения. Измеряют 10 раз диаметр шейки в момент отрыва. Цена деления микроскопа равна 0,02 мм/дел.

3. Взвешивают на аналитических весах пустой химический стаканчик. Не меняя скорости падения капель, наполняют его 100 каплями жидкости и вновь взвешивают. Если масса пустого стаканчика равна m₁, а с жидкостью m₂, тогда масса одной капли будет . Опыт по определению m₁ и m₂ проводят несколько раз.

4. Подставляя полученные значения m и r в формулу метода (2-2.15), определяют значение s для воды и спирта.

5. Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 2-2.4 4.Проводят статистическую обработку результатов по методу Стьюдента для a=0,95.

6. Окончательный результат представляют в виде: .

Таблица2-2. 4.

Контрольные вопросы и задания

1. Начертите кривые взаимодействий f(r) и U(r) и объясните ход этих зависимостей.

2. Запишите формулу для потенциала Леннарда – Джонса и объясните ее содержание.

3. При каком соотношении кинетической и потенциальной энергий состояние системы является газом?

4. Объясните механизм возникновения сил поверхностного натяжения.

5. Почему при отсутствии внешних сил капля жидкости принимает форму шара?

6. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и запишите формулу для s.

7. Запишите формулу Лапласа и объясните причину поднятия (опускания) жидкости в капилляре.

8. При каких условиях отрывается капля жидкости, вытекающей из трубки?

9. Получите формулу для определения s методом сравнения.

10. Объясните принцип действия экспериментальной установки Штейна для определения s. Каково назначение широкого сосуда Д?

11. Запишите условие отрыва кольца от поверхности жидкости.

12. Приведите примеры проявления сил поверхностного натяжения в природе.

Список литературы

1. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М., 1983.

2. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. М., 1976.

3. Ширяева С.О., Григорьев О.А. О влиянии эффекта релаксации поверхностного натяжения на спектр движений жидкости с заряженной свободной поверхностью // ЖТФ, 2000, Т.70, Вып.6.

4. Лапшин В.Б., Сидоренко А.В. Взаимодействие гравитационно-капиллярных структур в поверхностном слое океана. «Исследовано в России» // Электронный многопредметный научный журнал, МФТИ, 1998, С. 1561-1570.

5. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/135.pdf

Лабораторная работа 2-3