Реферат Блок лабораторных работ, представленных ниже, рекомендуется для проведения в специализированных классах школ инженерной (авиационной) направленности с углубленным изучением физики, математики по разделу «Термодинамика и молекулярная физика»

Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основных понятий, связанных с явлением поверхностного натяжения (ПН) в жидкостях, опытное определение коэффициента ПН, экспериментальное исследование его зависимости от температуры и наличия примесей. Приборы и принадлежности: 1. Установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения 2. Стаканчик. 3. Штангенциркуль. 4. Секундомер. 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Основные понятия В жидкой фазе молекулы находятся вплотную друг к другу, но как и в газе, обладают большой подвижностью и расположены неупорядоченно. Энергия взаимодействия молекул сравнима с их кинетической энергией. В расположении частиц жидкости наблюдается так называемый ближний порядок, то есть по отношению к любой частице расположение ближайших частиц является упорядоченным. Жидкость занимает промежуточное положение по свойствам между газами и твердыми телами. Жидкость, как и газы, принимает форму занимаемого сосуда, и, как твердые тела, сохраняет объем. Это состояние является наиболее сложным по свойствам, и поэтому до сих пор нет вполне законченной и общепризнанной теории жидкости. Одна из моделей поведения молекул в жидкости, предложенная Я.И.Френкелем выглядит так. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около положения равновесия. При этом силы взаимодействия молекулы с соседними уравновешивают друг друга (Рис. 1). Затем молекула меняет свое местоположение, скачком перемещаясь в новое положение равновесия. Таким образом, молекула медленно перемещается внутри жидкости, странствуя по ее объему. При повышении температуры сильно возрастает подвижность молекул, а вязкость и поверхностное натяжение падают. Поверхностное натяжение. Поверхностный слой жидкости находится в особых условиях. Молекула 2 на поверхности жидкости взаимодействует и с молекулами жидкости и с находящимся над ней паром жидкости, действием молекул которого, однако, можно пренебречь. При таком условии молекулярные силы, действующие на молекулу 2, оказываются неуравновешенными, их равнодействующая R направлена вглубь жидкости перпендикулярно к её поверхности. В таком состоянии находятся все молекулы поверхностного слоя толщиной в радиус сферы молекулярного действия (приблизительно слой в 1-2 молекулы). Чтобы молекула оказалась в поверхностном слое жидкости, над ней надо совершить работу против сил, втягивающих её вглубь жидкости. Эта работа совершается за счёт кинетической энергии окружающих её молекул; в результате работы увеличивается потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости. Оказавшись в поверхностном слое, молекула станет обладать большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Таким избыточным запасом потенциальной энергии обладают все молекулы поверхностного слоя жидкости. Эта энергия прямо пропорциональна величине поверхности жидкости. Из курса механики известно, что начиная от атома всякая система, включая галактики, при равновесии находится в таком состоянии (из всех возможных), при котором запас её потенциальной энергии минимальный. Применительно к поверхности жидкости это означает, что данная поверхность должна сокращаться (если возможно) до минимума, тогда запас потенциальной энергии поверхностного слоя станет наименьшим. Это сокращение вызывается молекулярными силами, действующими вдоль поверхности жидкости. Они называются силами поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения, сокращая поверхностный слой, придаёт капле жидкости форму шара, вызывает слипание намоченных водой волос, слипание мокрого песка. Поверхностное натяжение — важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела П. н. правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует. Сила поверхностного натяжения пропорциональна длине того участка контура, на который она действует. Итак, результирующий вектор силы поверхностного натяжения F направлен перпендикулярно к любому элементу линии, ограничивающей поверхность жидкости. В положении равновесия свободная энергия системы минимальна, поэтому жидкость, предоставленная самой себе, стремится сократить свою поверхность. Мысленно ограничим какой-либо участок поверхностного слоя замкнутым контуром. В нём действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к участку контура, на который они действуют. Коэффициент поверхностного натяжения  можно определить и как силу, приходящуюся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность: Единица его измерения в системе СИ: 1Н/м=1 Дж/м2. Более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется физический смысл и связь понятия поверхностного натяжения с внутренней энергией. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости и ее температуры. 2.2. Краткая теория метода Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в представляемой работе основывается на наблюдении истечения жидкости из малого отверстия в сосуде. В случае медленного вытекания жидкости из малого отверстия размер образующихся капель зависит от плотности жидкости, коэффициента поверхностного натяжения, размера и формы отверстия, а также от скорости истечения. При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рисунке 2. Радиус r шейки капли можно считать примерно равным наружному радиусу трубки R. Замечание: Последнее утверждение верно лишь с точностью около 20%. Очевидно, что в момент отрыва капли массы m ее вес должен быть равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих по длине контура шейки капли в самой ее узкой части. Таким образом, можно записать mg = 2πrσ (1) Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его относительно σ, получим σ=mg/2πR (2) Для определения массы капли, необходимо измерить с помощью шкалы уменьшение объема жидкости в трубке бюретки при выпадении капель в количестве n. Тогда масса всей вытекшей жидкости М= ρΔV, а масса отдельной капли m = (ρΔV)/n (3) Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр D, получим расчетную формулу (4) Поскольку точное определение радиуса шейки капли практически невозможно, измерение коэффициента поверхностного натяжения этим путем дает грубые результаты. Поэтому можно использовать другой метод. Для этого возьмем одинаковые объемы υ разных жидкостей, коэффициент поверхностного натяжения одной из которых хорошо известен. Будем пропускать жидкости через бюретку по отдельности, считая количество капель. В этом случае формулу (1) можно написать следующим образом: В формулах (5) и (6) n1 и n2 – число капель, ρ1 и ρ2 – плотности первой и второй жидкости. Разделив (5) формулу на (6) получаем: В этом случае погрешность определения σ будет обусловлена только ошибкой табличных значений плотностей жидкостей и коэффициента поверхностного натяжения известной жидкости. Описание установки Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения (рис. 3) состоит из штатива, на котором установлена бюретка с исследуемой жидкостью. Бюре́тка (от англ.  burette) — тонкая проградуированная стеклянная трубка ёмкостью обычно 50 мл, открытая на одном конце и снабжённая стеклянным или тефлоновым запорным краном на другом. Предназначена для точного измерения небольших объемов жидкости. Крупные деления нанесены через каждый миллилитр, а мелкие — через 0,1 мл. На конце бюретки находится наконечник-трубка, на конце которой образуется капля. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Упражнение 1. 1. С помощью штангенциркуля измеряют диаметр наконечника-трубки три раза и вычисляют среднее значение D. 2. Закрывают кран и наливают воду. 3. Подставляют под трубку колбу и, приоткрывая кран, добиваются, чтобы капли падали достаточно медленно (10 – 15 капель в минуту). Тогда можно считать, что отрывание капель происходит только под действием веса. Заметив положение крана, перекрывают воду. 4. Объем жидкости определяют по шкале бюретки с точностью до 0,5 мл. Записывают значение первоначального объема жидкости V1 в тетрадь. 5. Привести кран в положение, установленное в п. 3. 6. Отливают из бюретки в стаканчик 40-60 (по указанию преподавателя) капель жидкости, считая точно количество отлитых капель, и перекрывают кран. 7. Измерить по шкале объем V2 оставшейся в бюретке жидкости и рассчитать объем вытекшей жидкости: ΔV1 =V1 -V2 8. Подставляя полученные значения в формулу (4) вычисляют коэффициент поверхностного натяжения. Провести измерения коэффициента поверхностного натяжения три раза и вычислить среднее значение <σ>. Выразить полученное значение коэффициента поверхностного натяжения в системе СИ (Н/м). 9. Рассчитать среднеквадратическую погрешность среднего по формуле: 10. Рассчитать оценку относительной погрешности расчета δσ=Sσ /<σ>. и записать результат в стандартном виде: σ=( <σ> + Sσ) Н/м, δσ= . Сравнить полученное значение с табличным значением: для воды при комнатной температуре (20 С) σ=73 мН/м. Сформулировать вывод. Упражнение 2. 1. Наполните бюретку водой. 2. Отрегулируйте скорость падения капель с помощью крана. 3. Не меняя положение крана измерьте количество капель, упавших с стакан в течение 3 минут. Время измерения фиксируйте с помощью таймера. 4. Не меняя положение крана, проделайте 1-3 пп. с мыльным раствором, молоком и др. жидкостями по усмотрению преподавателя, предварительно удалив ранее используемую жидкость. 5. По формуле (7) рассчитайте коэффициент σ для рассматриваемых жидкостей, считая известным значение для воды. Значения плотностей веществ вам укажет преподаватель. 6. Запишите полученные результаты и сформулируйте вывод. Отразите в формулировке вывода недостатки второго метода. Замечание: Работу можно рассматривать как исследовательскую проектную работу учащихся, если выполнить ее в виде следующих вариантов: 1) определить коэффициент поверхностного натяжения чистой жидкости (воды) при различных температурах, построить график зависимости σ(Т); 2)найти коэффициент поверхностного натяжения воды при добавлении поверхностно активного вещества (при разных концентрациях), построить график полученной зависимости. 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 1. В чем отличие строения газов, жидкостей и твердых тел? 2. В чем состоит явление поверхностного натяжения жидкости? 3. Что такое коэффициент поверхностного натяжения, каковы его единицы измерения? 4. Как зависит σ от температуры жидкости и почему? 5. Оцените, каким должно быть ускорение свободного падения на планете, чтобы человек мог ходить на ней по воде в несмачиваемой водой обуви? 6. Закрытый стеклянный сосуд наполовину заполнен водой. Как будет выглядеть поверхность воды, если этот сосуд будет находиться в невесомости? 7. Почему лезвие от безопасной бритвы плавает на поверхности воды? Экспериментально проверить и объяснить. Будет ли лезвие плавать в мыльном растворе? Лабораторная работа №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомление со способами измерения влажности воздуха, закрепление понятий насыщенный пар, точка росы, абсолютная и относительная влажность.

Похожие:

	Реферат Представляемые лабораторные работы рекомендуются для проведения... Разработка ном по школьному лабораторному практикуму по физике (раздел «Электричество») в соответствии с рабочей программой профильного...		75 2 Этап Апробирование разработанных научно-образовательных материалов... Этап Апробирование разработанных научно-образовательных материалов путем проведения тестовых занятий
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ы программы традиционны: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, квантовая физика (атомная физика и физика...		Урок для учителей города по теме: Обобщение материала темы «Молекулярная физика и термодинамика» Урок обобщающего повторения из элективного курса с, 2 часа в неделю, 10 класс. Всего в 10 классе 4 урока физики – 2 часа в неделю...
	А. В. Пёрышкина учитель физики мбоу сош №2 с углублённым изучением... Оформить выполненные (1-4) и составить отчет по запланированной (5) лабораторным работам в соответствие с планом в тетрадях для лабораторных...		4 Химикус (Обучение с приключением) 2 Открытая физика. Часть (механика, механические колебания и волны, термодинамика и молекулярная физика)
	Учебно-воспитательной работе мбоу сош №159 с углубленным изучением... Мы рады приветствовать всех собравшихся в этом зале. Приветствуем всех, кто любит математику, кто учит математике, кто занимается...		Молекулярная физика. Тепловые явления Оформить выполненные (1-4) и составить отчет по запланированной (5) лабораторным работам в соответствие с планом в тетрадях для лабораторных...
	Учебник по физике. Представлены разделы физики в теории, примерах... Открытого колледжа" "Физика". Включает прекрасно иллюстрированный учебник "Открытая физика 5" (все разделы, от Механики до Физики...		Пояснительная записка Программа научно-технической направленности... Программа научно-технической направленности «Общая биология» рассчитана на учеников 9 – 11 классов школ с общим и углубленным изучением...
	Опорный конспект лекций. Молекулярная физика и термодинамика Методы оказания первой помощи лицам, пострадавшим в дорожно-транспортных происшествиях		Программа составлена для преподавания географии в моу «сош №26 г.... Сыктывкара с углубленным изучением отдельных предметов в 10 классах. Преподавание географии осуществляется на основе переработанной...
	Молекулярная физика и термодинамика лабораторная работа №5 энтропия Учитель. Дорогие ребята ! Я рада вас при­ветствовать на игре «Счастливый случай»!		Наименование издательство Министерства образования Российской Федерации программы по математике для школ (классов) с углубленным изучением математики (Программы...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... И. Н. Верещагиной для 7-го класса школ с углубленным изучением английского языка, лицеев, гимназий при учебной нагрузке 4 часа в...		Пояснительная записка Программа научно-технической направленности... Программа научно-технической направленности «Анатомия и физиология человека» рассчитана на учеников 9 – 11 классов школ с общим и...