Номер 2, страница 458 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

7. Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости. Лабораторные работы - номер 2, страница 458.

Условие.

2. Как только прекратится подъём воды, полоски выньте и измерьте линейкой высоты $h_1$ и $h_2$ поднятия в них воды.

Решение.

2. Данное задание является инструкцией к выполнению лабораторной работы по изучению капиллярных явлений. Для его выполнения необходимо произвести измерения высоты поднятия воды в двух разных полосках материала, следуя приведенному ниже порядку действий и теоретическому обоснованию.

Порядок выполнения измерений:

1. Наблюдайте за подъемом воды по двум разным полоскам (например, из промокательной и фильтровальной бумаги), опущенным концами в сосуд с водой.

2. Дождитесь момента, когда уровень воды в обеих полосках перестанет подниматься. Это означает, что сила поверхностного натяжения, которая поднимает воду вверх по капиллярам, уравновесилась силой тяжести столбика поднявшейся воды.

3. Как только подъем воды прекратится, аккуратно извлеките полоски из сосуда.

4. С помощью линейки измерьте для каждой полоски расстояние от первоначального уровня воды до верхнего края смоченной части. Обозначьте полученные высоты как $h_1$ и $h_2$.

Теоретическое обоснование:

Поднятие жидкости в узких каналах (капиллярах) или пористых материалах, таких как бумага, называется капиллярностью. Это явление обусловлено силами поверхностного натяжения жидкости и силами взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (смачивание). Высота капиллярного подъема $h$ для идеального цилиндрического капилляра описывается законом Жюрена:

$h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$

где $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, $\theta$ – краевой угол смачивания, $\rho$ – плотность жидкости, $g$ – ускорение свободного падения, а $r$ – радиус капилляра.

Из формулы следует, что высота подъема жидкости обратно пропорциональна радиусу капилляра: $h \propto 1/r$. Это означает, что чем тоньше капилляры в материале, тем на большую высоту поднимется в нем жидкость. Разные типы бумаги имеют различную структуру волокон и, следовательно, разный средний радиус капилляров.

Анализ и ожидаемые результаты:

Если для эксперимента используются полоски из разных видов бумаги, например, промокательная бумага (полоска 1) и фильтровальная бумага (полоска 2), то результаты измерений будут отличаться. Промокательная бумага имеет более рыхлую структуру и, соответственно, более крупные поры (больший средний радиус капилляров, $r_1$). Фильтровальная бумага имеет более плотную структуру с более тонкими капиллярами ($r_2$).

Поскольку $r_1 > r_2$ и $h \propto 1/r$, то следует ожидать, что высота подъема воды в промокательной бумаге будет меньше, чем в фильтровальной: $h_1 < h_2$.

Например, при проведении эксперимента можно получить следующие гипотетические результаты: высота подъема воды в промокательной бумаге $h_1 \approx 5-6$ см, а в фильтровальной бумаге $h_2 \approx 8-10$ см.

Ответ:

В соответствии с инструкцией, необходимо дождаться, пока вода перестанет подниматься по полоскам, после чего вынуть их из воды и измерить линейкой высоты подъема $h_1$ и $h_2$. Ожидается, что измеренные высоты будут различными. В полоске материала с более тонкими капиллярами (меньшим средним радиусом пор) вода поднимется на большую высоту, чем в полоске с более широкими капиллярами.