№10 ИЗУЧЕНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
учебно-методическое пособие по физике

№10 ИЗУЧЕНИЕ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ НАТЯЖЕНИЕМ ЖИДКОСТИ.

Цель работы: изучить важные и любопытные свойства и явления природы – поверхностное натяжение, явления смачивания, не смачивания, капиллярные явления.

Оборудование: штатив, емкость с подкрашенной водой, набор материалов для измерения диаметра капилляров (тканевая ветошь, газетная полоска), линейка.

Необходимые сведения

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

Fв = mg.

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

Fв = Fпов.

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре.

Fпов = 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:

Fпов = σ2πr,                                                                         (2)

где σ – поверхностное натяжение жидкости.

Масса столба жидкости объёмом V = πr2h равна:

m = ρV = ρ πr2h.                                                                   (3)

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

σ2πr = ρ πr2hg,

                                                                     (4)

где h - подъем жидкости в капилляре;

σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

ρ - плотность жидкости, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с2;

r – Радиус капилляра, м.

откуда диаметр капилляра

Задание

1. Самостоятельно изучить методические рекомендации по проведению лабораторной работы.
2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.
3. Подготовить форму отсчёта.

Опыт 1.Использование фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани.

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.

                                                                    (5)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Полосками фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в стакане (рисунок 2), 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 D1 = D1(Δσ/ σ + Δ h1/ h1);

                                                                  Δ D2 = D2(Δσ/ σ + Δ h2/ h2).

Погрешностями Δ g и Δ ρ можно пренебречь.

Окончательный результат измерения диаметра капилляров представьте в виде

D1 ± Δ D1 =

D2 ± Δ D2 =

6. Сделайте вывод о проделанной работе.

Опыт 2.Использование стеклянных трубок разного диаметра.

1.Опустите стеклянные трубки разного диаметра в емкость с подкрашенной водой. пронаблюдайте происходящее, обратите внимание на форму мениска, и измерьте линейкой высоту в каждой трубке.

2.Используя формулу (4) определите коэффициент поверхностного натяжения жидкости в каждой трубке.

3.Сделайте вывод о проделанной работе, указав полученный результат, форму мениска и его объяснение,

Опыт 3.Использование стеклянных пластин.

1.Возьмите стеклянные пластины и скрепите края пластилином так, чтобы между ними образовалась воздушная прослойка. Опустите пластину в подкрашенную воду на глубину 0,5 - 1 см. Пронаблюдайте за подъемом воды.

2.Возьмите стеклянные пластинки, соединенные клином так, чтобы с одной стороны края были плотно прижаты, а с другой стороны разделены кусочком пластилина. Опустите пластины в воду и пронаблюдайте за подъемом воды.

3.Сделайте выводы в двух случаях.

Содержание отчета.

Отчёт должен содержать:

1.  Название работы
2.  Цель работы
3.  Перечень используемого оборудования
4.  Задание
5.  Таблица с результатами измерений и вычислений
6.  Ответы на контрольные вопросы:

1. Дайте определение поверхностное натяжение жидкости.
2. Как вы понимаете капиллярные явления,
3. От чего зависит высота столба жидкости в капиллярах?
4. Как ведет себя смачивающая и не смачивающая жидкость в капиллярах?
5. Решите задачу. Спирт поднялся в капиллярной трубке на высоту 1,2 м. Найдите радиус трубки, если известно поверхностное натяжение спирта (справочные данные) равно 22,8 ×10-3 Н/м и плотность спирта (справочные данные) 0,8 г/см3.

7. Вывод о проведённой работе