Номер 1, страница 358 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Лабораторные работы. 10. Определение коэффициента поверхностного натяжения - номер 1, страница 358.

Условие.

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Цель работы: экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва капель.

Оборудование: весы учебные, разновес (можно измерительный цилиндр), клин измерительный, пипетка, штангенциркуль, стакан с водой; стакан химический.

Описание работы

Расчёты показывают, что отрыв капли воды от пипетки происходит при выполнении равенства $mg = \sigma \pi d$, где $\text{m}$ — масса капли, $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения воды, $\text{d}$ — внутренний диаметр пипетки. Отсюда $\sigma = \frac{mg}{\pi d}$. Для повышения точности измеряют массу $\text{M}$ нескольких капель: $M = m \cdot n$, где $\text{n}$ — число капель. Тогда расчётная формула принимает вид $\sigma = \frac{Mg}{n \pi d}$.

Ход работы

1. С помощью измерительного клина и штангенциркуля измерьте внутренний диаметр пипетки $\text{d}$.

Решение.

Цель работы

Экспериментально определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Ответ: Целью работы является нахождение численного значения коэффициента поверхностного натяжения воды ($\sigma$) с помощью экспериментальной установки.

Оборудование

Для выполнения работы необходимы следующие приборы и материалы: весы учебные с разновесами, пипетка, штангенциркуль и/или измерительный клин для измерения внутреннего диаметра пипетки, стакан с водой, химический стакан для сбора капель.

Ответ: Перечисленное оборудование позволяет измерить все необходимые для расчета величины: внутренний диаметр пипетки ($\text{d}$), массу капель ($\text{M}$) и их количество ($\text{n}$).

Описание работы

Метод основан на уравновешивании силы тяжести, действующей на отрывающуюся каплю, и силы поверхностного натяжения, удерживающей ее у края отверстия пипетки. В момент отрыва капли ее вес $P = mg$ равен силе поверхностного натяжения $F_{\sigma}$, действующей вдоль границы смачивания (окружности внутреннего отверстия пипетки).

Сила поверхностного натяжения определяется по формуле $F_{\sigma} = \sigma L$, где $\text{L}$ - длина контура, по которому действует сила. В данном случае контуром является окружность внутреннего отверстия пипетки, поэтому ее длина равна $L = \pi d$, где $\text{d}$ - внутренний диаметр пипетки.

Таким образом, условие отрыва капли можно записать в виде равенства: $mg = \sigma \pi d$.

Из этого равенства можно выразить коэффициент поверхностного натяжения $\sigma$: $\sigma = \frac{mg}{\pi d}$.

Для повышения точности измерений и уменьшения случайной погрешности определяют массу не одной, а большого числа ($\text{n}$) капель. Если $\text{M}$ — это общая масса $\text{n}$ капель, то масса одной капли в среднем равна $m = \frac{M}{n}$. Подставив это выражение в предыдущую формулу, получим окончательную расчетную формулу:

$\sigma = \frac{Mg}{n \pi d}$

где $\text{g}$ - ускорение свободного падения (приблизительно $9.8 \, \text{м/с}^2$).

Ответ: Расчетная формула для определения коэффициента поверхностного натяжения имеет вид $\sigma = \frac{Mg}{n \pi d}$.

Ход работы

1. Измерение диаметра пипетки. С помощью штангенциркуля (или измерительного клина) измеряют внутренний диаметр $\text{d}$ капилляра пипетки. Для повышения точности измерения проводят несколько раз в разных направлениях и находят среднее значение.

2. Определение массы капель.
а) С помощью весов определяют массу пустого и сухого химического стакана ($M_1$).
б) Набирают в пипетку воду и, держа ее строго вертикально, медленно отсчитывают определенное количество капель ($\text{n}$, например, 50 или 100), падающих в стакан. Важно, чтобы капли отрывались под действием собственной тяжести.
в) Снова взвешивают стакан, теперь уже с каплями воды, и определяют его массу ($M_2$).
г) Вычисляют общую массу $\text{n}$ капель: $M = M_2 - M_1$.

3. Расчет коэффициента поверхностного натяжения. Подставляют полученные экспериментальные данные ($\text{d}$, $\text{M}$, $\text{n}$) и значение ускорения свободного падения ($\text{g}$) в расчетную формулу $\sigma = \frac{Mg}{n \pi d}$ и вычисляют искомое значение $\sigma$.

Ответ: По результатам измерений массы $\text{M}$ для $\text{n}$ капель и внутреннего диаметра пипетки $\text{d}$ вычисляется коэффициент поверхностного натяжения воды по формуле $\sigma = \frac{Mg}{n \pi d}$.