Лабораторная работа № 5
Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»
Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.
Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.
Теория.
Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией молекул, находящихся внутри жидкости
Как и любая механическая система, поверхностный слой жидкости стремится уменьшить потенциальную энергию и сокращается. При этом совершается работа А:
где σ – коэффициент поверхностного натяжения. Единицы измерения Дж/м2 или Н/м
или
где F – сила поверхностного натяжения, l – длина границы поверхностного слоя жидкости.
Поверхностное натяжение можно определять различными методами. В лабораторной работе используется метод отрыва капель.
Опыт осуществляют со шприцом, в котором находится исследуемая жидкость. Нажимают на поршень шприца так, чтобы из отверстия узкого конца шприца медленно падали капли. Перед моментом отрыва капли сила тяжести Fтяж=mкапли·g равна силе поверхностного натяжения F, граница свободной поверхности – окружность капли
l=π·dкапли
Следовательно:
Опыт показывает, что dкапли =0,9d, где d – диаметр канала узкого конца шприца.
Массу капли можно найти, посчитав количество капель n и зная массу всех капель m.
Масса капель m будет равна массе жидкости в шприце. Зная объем жидкости в шприце V и плотность жидкости ρ можно найти массуm=ρ·V
Ход работы.
1. Подготовьте оборудование:
Начертите таблицу:
№ опыта |
Масса капель m, кг |
Число капель n |
Диаметр канала шприца d, м |
Поверхност-ное натяжение σ, Н/м |
Среднее значение поверхностного натяжения σср, Н/м |
Табличное значение σтаб, Н/м |
Относительная погрешность δ % |
1 |
1*10-3 |
2,5*10-3 |
0,072 |
||||
2 |
2*10-3 |
2,5*10-3 |
|||||
3 |
3*10-3 |
2,5*10-3 |
Опыт 1
- Наберите в шприц 1 мл воды («один кубик»).
- Подставьте под шприц сосуд для сбора воды и, плавно нажимая на поршень шприца, добейтесь медленного отрывания капель. Подсчитайте количество капель в 1 мл и результат запишите в таблицу.
- Вычислите поверхностное натяжение по формуле
Результат запишите в таблицу.
- Повторите опыт с 2 мл и 3 мл воды.
- Найдите среднее значение поверхностного натяжения
Результат запишите в таблицу.
- Сравните полученный результат с табличным значением поверхностного натяжения с учетом температуры.
- Определите относительную погрешность методом оценки результатов измерений.
Результат запишите в таблицу.
- Сделайте вывод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
- Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?
- Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?
- Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?
- Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?
- Почему следует добиваться медленного падения капель?
Вариант выполнения лабораторной работы.
Результаты измерений:
Количество капель в 1 мл – 21
Количество капель в 2 мл – 40
Количество капель в 3 мл – 59
Помогите с задачей
Никита Ребежа
Мастер
(2391),
закрыт
8 лет назад
Некоторое число “N” капель ртути, радиусом “r” и зарядом “q” сливаются в 1 большую каплю.
Надо найти: Потенциал большой капли, плотность, заряд на ее поверхность.
Cooler Viktor
Просветленный
(28673)
8 лет назад
Объем одной большой капли равен объему всех маленьких капель, т. е.
4πR³ / 3 = N 4πr³ / 3 ⇒
Радиус большой капли
R = r ∛N
Заряд большой капли равен суммарному заряду маленьких капель:
Q = N q
Для вакуума электроемкость сферы (металлического шара)
C = 4πε₀R
Потенциал большой капли:
φ = Q / C = Q / 4πε₀R = N q / (4πε₀ r ∛N) = N^(⅔) q / (4πε₀ r) – первый ответ
Плотность заряда на поверхности большой капли:
σ = Q / S = Q / (4πR²) = N q / (4πr² N^(⅔) ) =
= ∛N q / (4πr²) – второй ответ
Сегодня поверхностно рассматриваем тему поверхностного натяжения и решаем соответствующие задачи по физике.
Даже если вы не большой любитель жидкости, подписывайтесь на наш телеграм-канал, это интересно и полезно для всех.
Поверхностное натяжение, задачи
Задача №1. Поверхностное натяжение
Условие
Для определения коэффициента поверхностного натяжения воды была использована пипетка с диаметром выходного отверстия d=2 мм. Оказалось, что n=40 капель имеют массу m=1,9 г. Каким по этим данным получится коэффициент поверхностного натяжения «сигма»?
Решение
На каплю действует сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Эти силы уравновешивают друг друга. Из условия задачи можно найти массу одной капли m0 и длину ее окружности l:
Далее запишем условие равновесия капли:
Отсюда находим коэффициент поверхностного натяжения:
Ответ: 75,63*10^-3 Н/м.
Задача №2. Капиллярные явления
Условие
В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на высоту 11 мм. Оценить плотность данной жидкости, если ее коэффициент поверхностного натяжения равен 22 мН/м.
Решение
Для капилляра существует формула:
Альфа в этой формуле – угол смачивания стенки капилляра жидкостью. Пример его равным 90 градусов.
Ответ: 800 килограмм на кубический метр.
Задача №3. Поверхностное натяжение
Условие
В дне сосуда со ртутью имеется круглое отверстие диаметром 70 мкм. При какой максимальной высоте слоя ртути H она не будет вытекать через отверстие?
Решение
Ртуть не будет вытекать до тех пор, пока сила ее давления не превысит силу поверхностного натяжения:
Значения коэффициента поверхностного натяжения разных жидкостей берутся в справочнике.
Ответ: 0,2 м.
Задача №4. Поверхностное натяжение
Условие
Швейная игла имеет длину 3,5 см и массу 0,3 г. Будет ли игла лежать на поверхности воды, если ее положить аккуратно?
Решение
Найдем силу тяжести, которая действует на иглу и сравним ее с силой поверхностного натяжения.
Ответ: Так как сила тяжести больше, игла утонет.
Задача №5. Поверхностное натяжение
Условие
Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г.
Решение
На кольцо действуют силы поверхностного натяжения, сила тяжести и внешняя сила, стремящаяся оторвать кольцо от поверхности. Найдем силу поверхностного натяжения:
Множитель «2» используется в формуле, так как кольцо взаимодействует с жидкостью двумя своими сторонами.
Теперь запишем условие отрыва кольца:
Значение поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре возьмем из таблицы, подставим числа, и получим:
Ответ: 0,11 Н.
Вопросы на тему «Поверхностное натяжение и свойства жидкостей»
Вопрос 1. Что такое жидкость?
Ответ. Жидкость – физическое тело, которое не может самостоятельно сохранять свою форму. Агрегатное состояние вещества между твердым телом и газом.
Вопрос 2. Какие свойства жидкости вы знаете?
Ответ. Среди основных свойств жидкости можно выделить:
- текучесть;
- вязкость;
- сохранение объема;
- поверхностное натяжение.
Вопрос 3. Что такое поверхностное натяжение?
Ответ. Поверхностное натяжение – это явление, при котором жидкость стремиться приобрести форму с наименьшей возможной площадью поверхности.
Примеры поверхностного натяжения в природе:
- Именно благодаря поверхностному натяжению в поле силы тяжести Земли жидкость приобретает форму капли.
- В отсутствие силы тяжести жидкости капля примет шарообразную форму.
- Водомерка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения – коэффициент, равный работе, которую необходимо совершить для образования поверхности жидкости площадью S при постоянной температуре.
Вопрос 4. Что такое капиллярные явления?
Ответ. Капиллярные явления – подъем или опускание жидкости в капиллярах (трубках малого диаметра).
Вопрос 5. Что называется смачиванием?
Ответ. Смачивание – это искривление поверхности жидкости вблизи твердого тела. Возникает из-за взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.
Количественная характеристика этого явления – угол смачивания.
Нужна помощь в решении заданий по учебе? Профессиональный студенческий сервис всегда готов ее оказать! Оформляйте заявку в любое время суток и забудьте о наболевших вопросах.
Найти массу, плотность или объем онлайн
На данной странице калькулятор поможет найти плотность, массу или объем вещества онлайн. Для расчета введите значения в калькулятор.
Объем, масса и плотность
Найти
Масса:
Объем:
Плотность:
Ответы:
Формула для нахождения массы тела через плотность и объем:
m – масса; V – объем; p – плотность.
Формула для нахождения объема тела через плотность и массу:
m – масса; V – объем; p – плотность.
Формула для нахождения плотности тела через объем и массу:
m – масса; V – объем; p – плотность.
Калькулятор
6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ И
ТВЕРДЫХ
ВЕЩЕСТВ
Абсолютная
плотность — количество
массы вещества, содержащееся
в единице объема. В Международной системе
единиц СИ плотность выражается в
килограммах на метр в кубе
За единицу
плотности принята масса 1 см3
чистой воды
при 4°С, так как при этой температуре
вода имеет наибольшую плотность.
Относительная
плотность — отношение
массы вещества к массе
чистой воды при 4°С, взятой в том же
объеме. Численные значения абсолютной
и относительной плотности совпадают,
но относительная плотность — величина
безразмерная.
Плотность
органических веществ определяют при
20 °С и относят к плотности воды
припоэтому
плотность органических веществ принято
обозначать которая и является нормируемой
константой.
Экспериментальное
определение плотности часто выполняют
при температуре, отличающейся от 20°С.
Пересчет плотности в диапазоне от 0 °С
до 50 °С на нормируемое значение может
быть выполнен по формуле, предложенной
Д. И. Менделеевым:
где—
плотность при температуре испытания,—
ко-
эффициент объемного
расширения (для органических веществ
при
температура,
при которой проводилось
измерение, °С.
Плотность жидких
веществ может быть экспериментально
определена с помощью приборов:
ареометров, гидростатических весов
Вестфаля, пикнометров разного устройства,
а для вязких жидкостей — методом
взвешенных капель. Ареометром определяют
плотность светлых и темных жидкостей,
имеющих вязкость (кинематическую)Пикнометром
определяют плотность
всех жидких веществ, этот метод наиболее
точен. Метод взвешенных
капель применяют для определения
плотности парафинов, асфальтенов и
высоковязких масел.
80
Определение
плотности жидких веществ ареометром
Применение этого
метода основано на законе Архимеда,
согласно
которому на тело, погруженное в жидкость,
действует сила, направленная
вертикально вверх и равная весу
вытесненной жидкости в объеме
погруженной части тела. Для удобства
измерений иногда
в среднюю часть ареометра вставляют
термометр (рис. 6.1). Ареометры
выпускаются с ценой деления от 0,5 до 5
мг/см3.
Для определения
плотности необходимы: ареометр, цилиндр
стеклянный соответствующих размеров
по высоте и диаметру, термометр ртутный
стеклянный с требуемым интервалом
измеряемой температуры и ценой
деления шкалы 1 °С, фильтровальная
бумага.
В стеклянный
цилиндр, диаметр которого больше диаметра
поплавка ареометра в два раза и более,
осторожно по стенке или по стеклянной
палочке наливают испытуемую жидкость
в том количестве, чтобы при погружении
в нее ареометра уровень жидкости не
поднялся выше края цилиндра. Если
образовалась пена, ее снимают
фильтровальной бумагой. Выдержав 5—10
мин, пока жидкость
не примет температуру окружающего
воздуха, подбирают по значению
ожидаемой плотности ареометр из набора,
погружают его в жидкость, держа за
верхнюю часть ножки, отпускают на
незначительное время и следят, чтобы
ареометр не утонул. После подбора
ареометра (он должен плавать и не касаться
стенок цилиндра) через 5 мин выполняют
отсчет сверху вниз по верхнему краю
мениска (для светлых и темных жидкостей),
при этом глаз определяющего должен
находиться на уровне мениска.
В
достаточно вязкие жидкости (v
> >
200 мм2/с
при 50°С) ареометр не погружается.
Предварительное нагревание
объекта свыше 40°С не дает должного
эффекта, так как погрешность
при вычислении действительной плотности
по формуле (6.1) превышает
допустимую (±0,005 г/см3).
Поэтому
перед определением плотности очень
вязких веществ их предварительно
разбавляют равным объемом осветленного
керосина.
Плотность разбавителя
предварительно
определяют тем же ареометром. Принимаем,
что плотность смеси испытуемого
вязкого продукта р, и разбавителя
р2
подчиняется правилу аддитивности
(объем целого тела равен
81
пературной
поправкивзятой
в области отсчета плотности пошкале
ареометра. Предельная абсолютная
погрешность отсчета плотности
по шкале ареометраможет
быть принята равной значению
наименьшего деления шкалы ареометраАбсолютная
погрешность метода измерения
плотностиможет
быть оценена сравнением с результатом
определения плотности вещества другим
методом, например пикнометрическим.
Величинойможно
пренебречь. Другие погрешностидля однократного измерения представляются
как допускаемые. Поэтому максимальную
погрешность результата измерения можно
вычислить по уравнению:
где—
коэффициенты весомости проявления
каждой по-
грешности в процессе
измерения, они могут быть рассчитаны
по формулам:
Определение
плотности жидких веществ пикнометрическим
методом
Этот метод наиболее
точен и основан на сравнении массы
испытуемого
вещества определенного объема при
определенной температуре
с массой воды того же объема и при той
же температуре. Метод пригоден для
определения плотности любых жидких
органических
веществ. Испытание проводят в пикнометрах
разных объемов
и форм. Чаще всего используют пикнометры
емкостью от 1 до 50 мл.
Для определения
плотности необходимы: пикнометр (рис.
6.2), водяная баня или термостат, где
поддерживается температура с точностью
±0,1 °С, термометр ртутный стеклянный
с ценой деления 0,1 °С, аналитические
весы, пипетка с оттянутым капилляром,
вода дистиллированная, фильтровальная
бумага.
Сначала
для пикнометра определяют «водное
число» — массу дистиллированной воды
в объеме
пикнометра при 20°С. Для этого промытый
пикнометр высушивают, взвешивают
83
Определение
плотности твердых веществ
Для определения
плотности твердых веществ применяют
пикнометры, называемые волюмометрами.
Емкость таких пикнометров обычно 50
мл. Вещество, относительную плотность
которого нужно определить, должно не
растворяться в растворителях. В качестве
растворителей применяют этанол,
хлороформ, керосин и другие растворители.
Перед определением
плотности твердого вещества его
измельчают
в фарфоровой ступке, высушивают в
сушильном шкафу 1,5 — 2
ч при
Относительную
плотность твердого вещества начинают
определять
с относительной плотности выбранного
растворителя. В волю-мометр,
тщательно вымытый, высушенный и взвешенный
на аналитических весах, помещают
растворитель и снова взвешивают. В тот
же волюмометр, также подготовленный к
работе, насыпают несколько
граммов исследуемого измельченного
вещества, взвешивают,
определяя навеску вещества.
Затем наливают в
волюмометр небольшими порциями
растворитель.
Содержимое волюмометра тщательно
перемешивают встряхиванием.
По заполнении волюмометра на 2/3
объема его помещают
на 1 — 2 ч в водяную баню, нагретую до 60
— 65°С,
для удаления
пузырьков воздуха. Затем волюмометр
охлаждают, доливают растворитель до
метки и взвешивают, определяя массу
волюмометра с измельченным веществом
и растворителем.
Относительную
плотность твердого вещества определяют
по уравнению:
где—
относительная плотность жидкости;—
масса измельченного вещества, навески,
г;—
масса пикнометра, наполненного
растворителем, г;—
масса пикнометра с измельченным веществом
и растворителем, г.
Правильно
определить плотность твердого вещества
можно только
при условии полного удаления воздуха.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #