Номер 2, страница 157 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Что такое поверхностное натяжение?

2. Поверхностное натяжение — это физическое свойство жидкости, которое проявляется в стремлении жидкости сократить площадь своей свободной поверхности. Из-за этого явления поверхностный слой жидкости ведет себя подобно упругой, натянутой пленке. Существует два основных способа определения коэффициента поверхностного натяжения ($\sigma$).

Первый способ — энергетический. Молекулы в поверхностном слое обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри объема жидкости. Это связано с тем, что на них действует нескомпенсированная сила притяжения со стороны других молекул, направленная внутрь жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения определяется как эта избыточная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности: $\sigma = \frac{E_{пов}}{S}$, где $E_{пов}$ — поверхностная энергия, а $\text{S}$ — площадь поверхности. В системе СИ эта величина измеряется в джоулях на квадратный метр ($Дж/м^2$).

Второй способ — силовой. Поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, которая действует тангенциально к поверхности жидкости и перпендикулярно к отрезку контура, ограничивающего эту поверхность. Эта сила стремится сократить площадь поверхности. Коэффициент поверхностного натяжения определяется как отношение этой силы $\text{F}$ к длине $\text{L}$ контура, на который она действует: $\sigma = \frac{F}{L}$. В этом случае единица измерения в СИ — ньютон на метр ($Н/м$). Обе единицы измерения ($Дж/м^2$ и $Н/м$) эквивалентны.

Ответ: Поверхностное натяжение — это физическая величина, характеризующая стремление жидкости к уменьшению площади своей поверхности. Она определяется либо как избыточная энергия на единицу площади поверхностного слоя, либо как сила, действующая на единицу длины контура, ограничивающего поверхность.

3. Измерить поверхностное натяжение жидкости можно несколькими лабораторными методами. Наиболее распространенные из них:

1. Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Тонкое металлическое кольцо с известным периметром $\text{L}$ касается поверхности жидкости, а затем его медленно отрывают от нее, измеряя силу $\text{F}$ в момент отрыва. Коэффициент поверхностного натяжения рассчитывается по формуле $\sigma = \frac{F}{2L}$. Множитель 2 появляется, так как образуются две поверхности жидкости (внутренняя и внешняя) вдоль окружности кольца.

2. Метод капиллярного поднятия. В сосуд с жидкостью опускают тонкую трубку — капилляр. Если жидкость смачивает стенки капилляра, она поднимется на высоту $\text{h}$. Эта высота измеряется, и коэффициент поверхностного натяжения находится из условия равновесия силы тяжести столбика жидкости и силы поверхностного натяжения. Для случая полного смачивания формула имеет вид: $\sigma = \frac{\rho g r h}{2}$, где $\rho$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, $\text{r}$ — радиус капилляра.

3. Метод отрыва капли (сталагмометрический метод). Метод заключается в медленном формировании капли на кончике вертикальной трубки и измерении ее массы $\text{m}$ (или веса) в момент отрыва. По закону Тейта, вес капли уравновешивается силой поверхностного натяжения: $mg = 2\pi r \sigma$, где $\text{r}$ — радиус кончика трубки. Этот метод часто используется для сравнения поверхностного натяжения разных жидкостей.

4. Метод с проволочной рамкой. Прямоугольная рамка с одной подвижной стороной длиной $\text{l}$ погружается в мыльный раствор, образуя пленку. Измеряется сила $\text{F}$, которую нужно приложить к подвижной стороне, чтобы уравновесить силы поверхностного натяжения, стремящиеся стянуть пленку. Так как пленка имеет две поверхности, то $F = 2 \sigma l$. Отсюда $\sigma = \frac{F}{2l}$.

Ответ: Поверхностное натяжение жидкости можно измерить различными способами, такими как метод отрыва кольца, метод капиллярного поднятия, сталагмометрический метод (метод отрыва капли) или с помощью растяжения пленки на рамке. Все эти методы основаны на измерении силы или геометрических параметров, связанных с проявлением сил поверхностного натяжения.