Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости

Цель работы: измерить средний диаметр капилляров.

Оборудование, средства измерения: 1) сосуд с подкрашенной водой, 2) полоска фильтровальной бумаги размером 120*10 мм, 3) полоска хлопчатобумажной ткани размером 120*10 мм, 4)линейка измерительная.

Теоретическое обоснование

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

F_в = mg

По третьему закону Ньютона сила F_в, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения F_пов, действующей на стенку капилляра по линии соприкосновения ее с жидкостью:

F_в = F_пов(1)

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре

F_пов= mg

Будем считать, что мениск имеет форму полусферы, радиус которой rравен радиусу капилляра. Длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равна длине окружности:

l= 2πr

Тогда сила поверхностного натяжения равна:

F_пов= σ2πr(2)

где σ - поверхностное натяжение жидкости.

Масса столба жидкости объемом V= πr²h равна:

m=ρV= ρπr²hg (3)

Подставляя выражение (2) для F_пов и массы (3) в условие равновесия жидкости в капилляре, получим σ2πr=ρπr²hg

откуда диаметр капилляра

D=2r= Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости - student2.ru (4)

Порядок выполнения работы

1. Полосками фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в стакане (рис. 2), наблюдая поднятие воды в полосках.

2. Как только прекратится подъем воды, полоски выньте и измерьте линейкой высоты h₁и h₂ поднятия в них воды:

3. Абсолютные погрешности измерения Δh₁, и Δh₂ принимают равными удвоенной цене деления линейки.

4. Рассчитайте диаметр капилляров по формуле (4).

Для воды

σ ± Δσ = (7,3 ± 0,05∙10^-2) Н/м

D₁= Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости - student2.ru =

D₂= Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости - student2.ru =

5. Рассчитайте абсолютные погрешности ΔD₁ и ΔD₂, при косвенном измерении диаметра капилляров.

ΔD₁ = D₁ Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости - student2.ru ₊ )

ΔD₂ = D₂ Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости - student2.ru ₊ )

Погрешностями Δg и Δр можно пренебречь.

6. Окончательный результат измерения диаметра капилляров представьте в виде

D₁ ±ΔD₁

D₂ ± ΔD₂

Домашние наблюдения

Задание 1. “Тяжелая газета”

Положите на середину стола тонкую деревянную рейку длиной 60-70 см так, чтобы ее конец выступил за край стола на 10 см. На рейку положите полностью развернутую газету. Если газета плотно прилегает к столу, то при резком ударе по концу рейки последняя ломается, причем противоположный ее конец с газетой не поднимается. Объясните опыт.

Задание 2. “Яйцо в графине”

Сварите яйцо вкрутую. Очистите его от скорлупы. Возьмите небольшой лист бумаги (примерно 1\2 листа тетради), сверните его, подожгите и опустите в бутылку. Через 2-3 с горлышко бутылки накройте яйцом и пронаблюдайте, как яйцо постепенно будет втягиваться в нее. Объясните, почему это происходит.

Задание 3. “Присасывающиеся стаканы”.

Вырежьте резиновое кольцо, учитывая внутренний и внешний диаметры граненого стакана, и положите его на стакан. В последний опустите кусочек горящей бумаги и через 1-2 с, прикройте его вторым стаканом. Через несколько секунд поднимите верхний стакан, за ним поднимается и нижний. Объясните наблюдаемое явление. Зачем в этом опыте нужно резиновое кольцо?

Для создания проблемной ситуации, для стимуляции студентов на изучение нового материала можно предложить следующие опыты.

Задание 4.

Возьмите капроновый (или из другой пластмассы) сосуд, ополосните его горячей водой и закройте плотно крышкой. Через некоторое время наблюдается деформация флакона.

Объясните наблюдаемое явление.

Задание 5. “Удивительное яйцо”

Опустите яйцо в сосуд, наполовину заполненный насыщенным раствором соли. Оно плавает на поверхности.

Подливайте осторожно воду через воронку по стенке сосуда, пока он не заполнится.

Яйцо останется на прежнем уровне. Почему?

Задание 6.

Возьмите молочную бутылку, уравновесьте на ней деревянную рейку длиной 50-70 см, затем поднесите к ней наэлектризованную пластмассовую линейку. Рейка будет притягиваться к линейке, и поворачиваться за ней. Почему?

Задание 7.

На поверхность воды положите две спички, и куском мыла коснитесь этой поверхности между ними. Повторите опыт, коснувшись воды кусочком сахара. Результаты опытов объясните.

Задание 8.

Намажьте маслом горлышко бутылки и попробуйте отмерить из нее воду каплями. Результаты опыта объясните.

Задание 9.

На поверхность воды осторожно положите плашмя лезвие безопасной бритвы. Почему лезвие плавает?

Задание 10.

Определите коэффициент жесткости резиновой нити и рассчитайте период колебаний подвешенного на ней груза массой 50 гр. ответ проверьте на опыте.

Задание 11.

Подвесьте два маятника одинаковой длины и, отклонив их в разные стороны на одинаковое расстояние, приведите в движение. Какова разность фаз колебаний маятников? Изменяется ли она со временем?

ПРИЛОЖЕНИЕ!

МЕХАНИКА

Кинематика

1. Физика - наука о природе.

2. Естественнонаучный метод познания, его возможности и границы применимости.

3. Моделирование физических явлений и процессов.

4. Роль эксперимента и теории в процессе познания природы.

5. Физические законы.

6. Фундаментальные взаимодействия

7. Кинематика

8. Основные элементы физической картины мира.

9. Относительность механического движения.