Реферати українською » Физика » Визначення коефіцієнта поверхового натягу методом компенсації тиску Лапласа


Реферат Визначення коефіцієнта поверхового натягу методом компенсації тиску Лапласа

року міністерство освіти Російської Федерації

Нижньотагільський державний педагогічний інститут

кафедра фізики та МПФ

Сикритов О.Н.

Визначення коефіцієнта поверхового натягу методом компенсації тиску Лапласа

Выпускная кваліфікаційна робота з фізиці

                                                                                                             Науковий керівник:

                                                                                                             доцент кафедри

                                                                                                             фізики та МПФ

                                                                                                             Колесников Н.І.   

                                                                                                             Рецензент:

Допуск до захисту вчитель фізики

зав. кафедри I категорії школи №25

фізики та МПФ Бабайлова Н.І.

______________

  Фискинд Е.Э.

“___” ______ 200 р.

Нижній Тагіл

2002

Зміст

Запровадження....................................................................................... 3

Глава I. Визначення коефіцієнта поверхового натягу.... 6

§1. Явище поверхового натягу...................................... 6

§2. Експериментальні методи визначення коефіцієнта поверхового натягу................................................................................ 16

§3. Визначення коефіцієнта поверхового натягу методом компенсації тиску Лапласа................................................ 29

Глава II. Обробка експериментальних даних......................... 35

§1. Експериментальні результати.......................................... 35

§2. Методична розробка лабораторної роботи «Вимірювання коефіцієнта поверхового натягу води»..................... 37

Укладання................................................................................. 44

Література................................................................................. 45


Запровадження

У процесі проведення фізичного практикуму необхідно навчити учня творчо підходитимемо дослідницької роботи, правильно вибирати методику експерименту, і вимірювальні прилади.

Учні мусимо навчитися розуміти й застосовувати теорію досліджуваного явища [6].

Свідоме виконання експерименту, пильність і зосередженість на процесі вимірів, дбайливе ставлення до приладам – необхідні умови успішного проведення
досвіду [7].

Учень заздалегідь повинен ознайомитися із установкою, де він має виконувати лабораторну роботу, і зробити орієнтовні виміру.

Багато учителів фізики проводять у час ті чи інші роботи, пов'язані з фізичною експериментом: організують практикуми, різні фізичні гуртки, дають домашні експериментальні завдання й т.д. Серед цих різноманітних форм навчання, що призводять до всебічному розвитку учнів, особливо великого значення мають класні лабораторні
роботи [10].

Фронтальный метод постановки лабораторних занять із фізиці у неповній середній школі, як відомо, має низку дуже важливих позитивного. Це насамперед дає можливість тісно зв'язати лабораторні роботи учнів з досліджуваним курсом. Завдяки фронтальному методу лабораторні заняття може бути як запровадження до того що чи іншому поділу курсу, чи як можна проілюструвати поясненню вчителя, чи як повторення і узагальнення пройденого матеріалу [13].

Отже, лабораторний експеримент учнів стає необхідним ланкою у процесі навчання, значно що допомагають засвоєнню матеріалу, як і демонстраційні досліди [4].

Все вищевикладене пояснює актуальність теми обраної випускний кваліфікаційної роботи: явище поверхового натягу входить у обов'язковий мінімум змісту визначається державним освітнім стандартом, особливо у школах теоретичне навчання необхідно підтверджувати експериментом.

Об'єкт дослідження: процес навчання фізиці у неповній середній школі, і вузі у сфері вивчення будівлі та властивостей рідини.

Предмет дослідження: експериментальне визначення коефіцієнта поверхового натягу рідини.

Мета: вивчення існуючих методів визначення коефіцієнта поверхового натягу рідин.

Досягнення даної мети було поставлено такі завдання:

–   поглиблення вивчення явища поверхового натягу;

–   ознайомитися з методами визначення коефіцієнта поверхового натягу виявити ті, які можна залучити до шкільному курсі;

–   відпрацювати методику експериментального визначення коефіцієнта поверхового натягу води методом компенсації тиску Лапласа.

У першій главі розглядаються: явище поверхового натягу, експериментальні методи визначення коефіцієнта поверхового натягу, і навіть визначення коефіцієнта поверхового натягу методом компенсації тиску Лапласа.

У другій главі аналізуються експериментальні результати даного досвіду і наводиться методична розробка лабораторної роботи «Вимірювання коефіцієнта поверхового натягу води».

Наприкінці зроблено основні висновки на роботу.


Глава I. Визначення коефіцієнта поверхового натягу

§1. Явище поверхового натягу

Изучим одна з властивостей поверхні рідини, дотичної з іншого середовищем, приміром, із її власним пором, з твердим тілом, зокрема з стінками судини.

Візьмемо котушку і выдуем мильні бульбашки. Щойно віднімемо котушку від рота, плёнка мильної бульбашки почне скорочуватися, він зменшиться, та був зникне. Узявши дротове кільце з прив'язаної у його двох поштовхах ниткою, одержимо ньому мильну плівку (мал.1, а). На плівці нитку лежить вільно. Прорвём плівку з одного боку нитки. Оставшаяся частина плівки скоротилася, натягнувши нитку (мал.1, б). Одержимо плівку на дротяною рамці, одна поперечина якої рухається
(мал.1, в). І тут плёнка також скоротилася, піднявши поперечину [15].


З'ясуємо де, чим це зумовлено властивість поверхні рідини скорочуватися. На рис. 2 зображені три молекули та побутову сфери їхні діяння. Молекулярні сили, які діють молекулу 1 із боку молекул, що у сфері молекулярного дії, взаємно врівноважуються. У деяких умовах виявляється молекула 2 лежить на поверхні рідини. З неї є пар рідини, дією молекул якого знехтувати. За таких умов молекулярні сили, які діють молекулу 2, виявляються неврівноваженими, їх рівнодіюча R спрямована вглиб рідини перпендикулярно до її поверхні. У стані знаходяться практично всі молекули поверхневого шару завтовшки радіус сфери молекулярного дії (приблизно шар в 1-2 молекули).


Щоб молекула 3 опинилася у поверхневому шарі рідини, з неї треба зробити роботу проти сил, втягивающих їх у глиб рідини. Ця робота відбувається рахунок кінетичній енергії оточуючих її молекул; внаслідок роботи збільшується потенційна енергія поверхневого шару рідини.

Опинившись в поверхневому шарі, молекула стане мати більшої потенційної енергією, ніж молекули, які працюють у глибині рідини. Таким надлишковим запасом потенційної енергії мають все молекули поверхневого шару рідини. Ця енергія прямо пропорційна величині поверхні рідини.

З курсу механіки відомо, що від атома і кожну систему, включаючи галактики, при рівновазі в такому стані (з усіх можливих), у якому запас її потенційної енергії мінімальний. Що стосується поверхні рідини це, що це поверхню повинна скорочуватися (якщо можливо) до мінімуму, тоді запас потенційної енергії поверхневого шару стане найменшим. Це скорочення викликається молекулярними силами, діючими вздовж поверхні рідини. Вони називаються силами поверхового натягу [1]. Наявністю сили поверхового натягу і пояснюється скорочення плівки в вищеописаних дослідах. Сила поверхового натягу, скорочуючи поверхневий пласт, саме й надає краплі рідини форму кулі, викликає злипання намоченных водою волосся, злипання мокрого піску. Вектор сили поверхового натягу F спрямований перпендикулярно до будь-якого елементу довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини, і стосовно до цієї поверхні (рис. 1, в). Що стосується, якщо поверхню рідини пласка, то вектор сили поверхового натягу у площині поверхні рідини.

З'ясуємо де, як і виміряти силу поверхового натягу. Отримавши мильну плівку на дротяною рамці, щоб він не переміщувалася, докладемо до неї силу F. Сторона АВ цієї рамки рухається (рис. 1, в). Сила поверхового натягу плівок (одній із яких перебувають розслідування щодо один бік рамки, іншу – з іншого) дорівнює вазі дроту АВ і грузика. Якщо визначати силу натягу поверхневого шару, наприклад води, гасу тощо., виявляється, що для різних рідин вона різна. Порівняйте сил поверхового натягу різних рідин введена величина, звана коефіцієнтом поверхового натягу. Величина, характеризує властивість поверхні рідини скорочуватися, і яка вимірюється силою поверхового натягу, діючої на одиницю довжини лінії лежить на поверхні рідини, називається коефіцієнтом поверхового натягу [8]. Якщо позначити довжину кордону поверхні рідини l, силу поверхового натягу однієї плівки, діючої цій межі, - F, то коефіцієнт поверхового натягу буде

                                               .                         (1)

Коефіцієнт поверхового натягу має найменування н/м. З підвищенням температури коефіцієнт поверхового натягу чистих рідин зменшується [1].

Асиметрія сил взаємодії молекул перехідного слоя[1] з оточуючими їх (не більше обсягу молекулярного дії) молекулами наводить, як відомо, до уявленню про наявність тангенциальных і нормальних щодо поверхні розділу фаз сил, діючих на молекули перехідного шару [2]. Це – сили поверхового межфазового натягу і молекулярного тиску.

Обидві ці категорії сил, діючих на молекули, які перебувають різних відстанях від поверхні розділу фаз, різні за величиною: вони монотонно убувають в обох напрямках по нормальний до нормальний розділу фаз.

У цьому вся легко розібратися, розглянувши проходження молекули m через поверхню розділу фаз MN (рис. 3). Нехай, наприклад, переміщення молекули відбувається після кордон розділу між рідиною і її насиченим пором із будь-якої відстані r радіуса молекулярного дії всередині рідкої фази те що ж відстань газоподібної фазі [11].

Молекула перехідного шару, які перебувають на довільному відстані з від фазової кордону (рис. 4), взаємодіє з усіма молекулами, які у межах кульового обсягу її молекулярного дії. Результуючий вектор цього взаємодії дорівнює, проте, різниці сумарних взаємодій молекули m з молекулами, які у кульових сегментах EFG і CHD, оскільки взаємодії з молекулами в кульових поясах ACDB і ABFE врівноважуються. Якщо знехтувати притяганням молекул газу, то некомпенсированным залишається тільки тяжіння молекул, що заповнюють сегмент EFG. Значимість цього тяжіння можна вважати пропорційної числу молекул, що у обсязі w сегмента, а при постійної їх щільності всередині сегмента – обсягу w [3].

При переміщенні молекули через фазову кордон в відстані 2r обсяг w зростає від нуля до , та був знову убуває нанівець. Пропорційно цьому обсягу змінюється й розмір сили, діючих на молекулу m. Звідси можна зробити висновок, що чим ближча молекула рідини перебуває до фази, то більше вписувалося при теплових соударениях ймовірність її виходу в газову фазу (випаровування), і що ближче молекула пара до фазової кордоні, тим більша ймовірність її захоплення рідкої фазою (конденсації).

Отже, під час переходу молекули через фазову кордон рівнодіюча молекулярних сил змінюється пропорційно обсягу кульового сегмента

                                           ,                     (2)

де h – висота сегмента. На рис. 5 приведено залежність w=j(h); геометричний сенс вона не має не більше значень h від нуля до 2r. На рис. 6 представлено зміна величини сили, діючої на молекулу під час проходження нею фазової кордону; за початок отчётов прийнята площину ВВ (рис. 3), становище молекули визначається координатою z. З малюнка видно, що крива має максимум, відповідної віднайденню молекули за українсько-словацьким кордоном фаз. Залежність f=y(z) однаково належить як до поверхневому натягу, і до молекулярному тиску. Отже, s=y(z) і pm=y(z) [12].

До цього часу ми згадали елементарних силах, діючих деякі молекули. Проте величину поверхового натягу s, як відомо, заведено відносити до одиниці довжини контуру, а молекулярне тиск – до одиниці площі лежить на поверхні фази. У зв'язку з наявністю залежності s=y(z), слід сказати, величину поверхового натягу (чисельно рівну роботі освіти елемента поверхні) варто відносити до елементарного моноатомному прошарку поверхневого шару фази, що знаходиться на певному відстані z від поверхні відліку. Зазвичай поверхове натяг належать до самому поверхневому прошарку фази (z=r), де вона має максимальне значення. З огляду на зазначені співвідношення, можна було говорити про «середньому» значенні поверхового натягу перехідного шару фази, що відповідала б поняттю «лінійного напруги перехідного шару» [2].

Що ж до молекулярного тиску, то через наявність залежності pm=y(z) його величину слід уявляти собі як наслідок підсумовування елементарних сил за "товщиною r від перехідного шару [1].

До того був знайдено методу виміру молекулярного тиску. Виконання цього завдання зустрічає великі труднощі, оскільки молекулярне тиск з його походженню пов'язані з взаємодіями молекул перехідного шару надзвичайно малої товщини (~10-7 див) на всю поверхню фази. Молекулярное тиск доступно, проте, вирахування:

                                      ,                 (3)

де pBH – зовнішнє тиск, I – механічний еквівалент, Зр і Зu - молярные теплоёмкости при постійному тиску і обсязі, g - термічний коефіцієнт обсягу u. Величина pm може статися обчислена виходячи з рівняння Ван-дер-Ваальса, якщо відомі його константи.

Зміна молекулярного тиску для рідин і твердих тіл охоплює три порядку: 10-3

Схожі реферати:

Навігація