Теория метода и описание установки

Рассмотрим каплю жидкости, висящую на конце узкой трубки (рис.6а). Непосредственно перед отрывом капли сила тяжести, действующая на нее и равная

F _Т = mg = r Vg,                                                  (7)

где m – масса капли, r - плотность жидкости, V - объем капли, g - ускорение свободного падения, уравновешивается результирующей силой поверхностного натяжения

F _Н = s L = 2p R s,                                                     (8)

где L - длина контура, на который действует сила поверхностного натяжения, R - радиус цилиндрической шейки капли (рис.6б).

Приравнивая силы (7) и (8), получаем, что коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости может быть вычислен по формуле

,                                                        (9)

если известны объем V капли, радиус шейки капли R в момент отрыва капли от трубки и плотность жидкости r.

Поэтому, чтобы избежать измерения шейки капли R в данной работе наряду с объемом V капли испытуемой жидкости измеряется объем V ₁ капли жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения s₁.

                                                     (10)

Решив совместно уравнения (9) - (10), получим, что коэффициент поверхностного натяжения испытуемой жидкости s может быть вычислен по формуле

,                                                     (11)

где r и r₁ - плотности жидкостей с неизвестным и известным коэффициентами поверхностного натяжения.

 

Таблица 1

Вещество	n	V н, мл	V к, мл	Vn, мл	V 1, мл	V, мл	r, кг/м3	s, мН/м	sтаб, мН/м
Вода						-			-
Спирт (С)					-
Спирт (С 1)					-
Спирт (С 2)					-

Рис.7

Для измерения объема капель жидкость через воронку 1 (рис. 7) заливается в вертикально установленную бюретку 2, нижний конец которой через муфту 3 соединяется со стеклянным наконечником 4 малого радиуса. Регулируя с помощью крана 5 скорость вытекания жидкости из наконечника 4, можно установить капельный режим вытекания жидкости.  На бюретку нанесена шкала, с помощью которой можно определить объем вытекшей жидкости. Для повышения точности измерения объема капли V предлагается измерять объем n (например, 100) капель Vn, после чего вычислить объем одной капли . Радиус шейки капли R в основном определяется радиусом наконечника 4 и слабо зависит от испытуемой жидкости.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Закрыть кран бюретки. Налить в нее 10…..15 см³ воды. Стаканчик с остатками воды поставить под наконечник бюретки. Медленно поворачивая кран, добиться медленного вытекания капель воды из бюретки.

2. Заметив по шкале начальный объем воды в бюретке V _н, отсчитать n ₁ = 100….. 200 капель и закрыть кран бюретки. Определить по шкале конечный объем воды в бюретке V _к.

3. Вычитая из начального объема воды в бюретке конечный, найти объем n капель V_n = V _к - V _н. После этого найти объем одной капли воды V ₁.

4. Слить остатки воды в стаканчик.

5. Выполнить пункты 1 - 4 для измерения объема капли V спирта концентрации С. Результаты эксперимента записать в таблицу 1.

6. По таблицам 2 - 4 определить плотности воды r_в и спирта r_с, коэффициент поверхностного натяжения воды s_в при температуре, равной температуре воздуха в лаборатории.

7. По формуле (11) вычислить коэффициент поверхностного натяжения спирта s. Результаты вычислений записать в таблицу 1.

8. Сравнить полученный результат с табличным значением коэффициента поверхностного натяжения спирта s_таб (таблица 5).

9. Выполнить пункты 1 - 7 с растворами спирта других концентраций С ₁ и С ₂. Результаты записать в таблицу 1.

10. Построить график зависимости поверхностного натяжения растворов спирта от их концентраций.

11. Сделать выводы и оформить отчет.

 

Таблица 2. Зависимость плотности воды от температуры

t, о С	r, кг/м3	t, о С	r, кг/м3
14	999,271	21	997,820
15	999,130	22	997,802
16	998,973	23	997,520
17	998,800	24	997,321
18	998,621	25	997,070
19	998,430	26	996,811
20	998,230	27	996,540

 

Таблица 3. Зависимость плотности этилового спирта от температуры

t, о С	10	15	20	30
r, кг/м3	852	848	843	834

Таблица 4. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения  воды от температуры

t, о С	0	10	15	20	30
s, мН/м	75,64	74,22	73,76	72,75	71,18

Таблица 5. Зависимость коэффициента поверхностного натяжения этилового спирта от температуры

t, о С	0	10	20	30	40
s, мН/м	24,4	23,6	22,8	21,9	21,0

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается и чем обусловлено явление поверхностного натяжения?

2. Как направлена сила поверхностного натяжения?

3. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения и укажите единицы его измерения в системе СИ.

4. Какие вещества называются поверхностно-активными?

5. Какое значение имеет определение поверхностного натяжения для медицины?

6. Чем обусловлено давление Лапласа? Как оно определяется для сферической поверхности?

7. Какое явление называется капиллярностью?

8. Какие силы называются когезионными? адгезионными?

9. Что такое краевой угол? Дайте определение мениска.

10. От чего зависит высота подъема (опускания) жидкости в капилляре?

11. Как найти коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва капель? Приведите формулу для вычисления коэффициента поверхностного натяжения и поясните ее.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Блохина М.Е., Эссаулова И.А., Мансурова Г.В. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М.: Дрофа, 2001. - 288 с. (Раздел 3. стр.77-83)

2. Джерри Мерион Б. Общая физика с биологическими примерами. М.: Высш. шк., 1986. 623 с. (§ 7.4 стр.163-166)

3. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М.: Дрофа, 2003.- 558 с. (Глава 7. § 7.6 -§ 7.8 стр.123-129)

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Джанколи Д. Физика. М.: Мир, Т.1. 1989. - 653 с. (Том 1. Глава 12. § 12.7-§ 12.9 стр.360-367)

2. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике/ Под        ред. Кудрявцева В.А. - Киров: КГМА, 1999.-278с. (часть II стр.69-72, стр.79-80)

ГЛАВА 4 «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ,