Лр 10 кл Поверхностное натяжение жидкости
10 класс
Лабораторная работа
Определение поверхностного натяжения жидкости.
Теория. Вспомним основные свойства жидкостей: а) не имеют формы б) имеют объем в) несжимаемы, т. к. молекулы жидкости находятся на малых расстояниях друг от друга. Поэтому для сжатия жидкостей надо преодолевать силы молекулярного отталкивания. Из-за того, что расстояние между молекулами в жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу. Образно говоря, при переходе из газообразного состояния в жидкое молекулы как бы слипаются. Специально поставленные эксперименты показали, что в жидкостях вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определенном порядке. Однако в масштабе больших областей порядка в расположении молекул нет. Поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок. Каждая молекула в течении некоторого времени хаотически колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, перемещаясь скачком в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка самих молекул. Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест, т. е. молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Длительности этих “стоянок” весьма различны и беспорядочно меняются со временем, резко убывают с повышением температуры. Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами жидкости не со всех сторон (рис.1).
Часть “соседей” поверхностных молекул- это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Имея же разных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным способом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону граничащей с ней среды. На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения к окружающим ее молекулам, удаленным от нее на расстояние порядка 10 -9 м. Рассмотрим молекулу, расположенную внутри жидкости, налитой в сосуд. Со всех сторон эту молекулу окружают молекулы, и силы притяжения выделенной молекулы к ее соседям уравновешиваются. Выделим молекулу, находящуюся на поверхности жидкости. Результирующая сила притяжения этой молекулы к молекулам пара меньше результирующей силы ее притяжения к молекулам жидкости. Благодаря этому появляется равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости. То же можно сказать о всех молекулах жидкости, находящихся в поверхностном слое, толщина которого равна радиусу действия молекулярных сил. Поверхностный слой давит на молекулы, находящиеся внутри жидкости. В этом отношении он напоминает оболочку детского воздушного шара. Чтобы переместить молекулу, расположенную непосредственно под поверхностным слоем, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления, следовательно молекулы образующие поверхностный слой жидкости, обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами находящимися внутри жидкости. Любая механическая система, будучи предоставлена самой себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая. Когда жидкость находится в свободном состоянии и не взаимодействует с опорой или сосудом она принимает форму шара (форма капли, ее окружность и обусловлены существованием силы поверхностного натяжения.). Сила, обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения Fпн .
Величина, равная силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения
· или просто поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение находится по формуле:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415
L-длина границы свободной поверхности жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения можно определить методом отрыва рамки.
Цель работы: научиться определять коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва рамки.
Оборудование: весы с разновесом, стакан с водой, штатив лабораторный, баночка с песком, масштабная линейка, лист бумаги, проволочная рамка на нитях, сухая салфетка, пластилин.
Ход работы.
Зажать весы в лапке лабораторного штатива.
Привязать к одной из чашек весов нить с подвешенной рамкой, на другой положить лист бумаги и уравновесить весы пластилином.
Уравновесить чаши весов с помощью пластилина.
Подставить стакан с водой под рамку так, чтобы поверхность воды находилась от рамки на расстоянии 1-2 см. и добиться горизонтального положения рамки относительно поверхности жидкости.
Осторожно опустить рамку рукой так, чтобы она, коснувшись воды, «прилипла» к ней.
Очень осторожно добавлять песок на чашу с листом бумаги до отрыва рамки от поверхности воды.
Осушить рамку.
Снять рамку. Осторожно измерить массу листка бумаги с песком с помощью разновесов: mлист+песок=..г=кг.
Высыпать песок обратно в баночку и измерить массу листка бумаги : mлист=..г=кг.
Вычислить массу песка: mпеска=: mлист+песок - mлист=.кг.
Измерить линейкой периметр рамки: L=.см=..м
Вычислить коэффициент поверхности натяжения воды по формуле:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415
Учесть, что Fпн= Fтяж песка =mпg,
где mп - масса песка без бумаги,
g - ускорение свободного падения
Fпн –сила поверхностного натяжения.
Рассчитать абсолютную ошибку:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415
Рассчитать относительную ошибку:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415
Заполнить таблицу.
№
mпеска, кг
g, м/с2
Fпн, Н
L, м
· выч, Н/м
· табл, Н/м
·
·, Н/м
·, %
1
9,81
0,072=72*10-3
2
9,81
0,072=72*10-3
3
9,81
0,072=72*10-3
Записать вывод и объяснить, почему результат, полученный в работе, отличается от табличной величины (если отличается).
Ответить на контрольные вопросы
Зависит ли поверхностное натяжение от рода жидкости? Почему?
Зависит ли поверхностное натяжение от температуры? Почему?
Рисунок 41