Номер 4, страница 23 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества. Параграф 6. Смачивание. Капиллярные явления. Задание 5 - номер 4, страница 23.

Условие.

$4_э$. Проделайте опыт по наблюдению капиллярных явлений. Для выполнения опыта возьмите стеклянные или пластмассовые трубочки разного диаметра, например трубочки для сока, трубочки от пипетки. Опустите их сначала в воду, затем в концентрированный раствор поваренной соли, затем в какую-либо другую жидкость. Опишите наблюдаемые явления. Сравните высоту подъёма разных жидкостей в одной и той же трубке, одной и той же жидкости в разных трубках.

Решение.

Данный опыт посвящён наблюдению капиллярных явлений — способности жидкостей изменять свой уровень в узких трубках (капиллярах). Это явление обусловлено взаимодействием сил поверхностного натяжения жидкости и сил сцепления жидкости со стенками капилляра. Высота подъема жидкости в капилляре ($\text{h}$) описывается формулой Жюрена:

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

где $\sigma$ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, $\theta$ — краевой угол смачивания (угол между поверхностью жидкости и стенкой капилляра), $\rho$ — плотность жидкости, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{r}$ — радиус капилляра. В опыте используются жидкости (вода, солевой раствор), которые хорошо смачивают стекло и пластик ($\theta$ близок к 0, $\cos\theta \approx 1$), поэтому в трубках будет наблюдаться подъем жидкости и вогнутая форма её поверхности (мениска).

Описание наблюдаемых явлений

При поочередном опускании трубок в стаканы с разными жидкостями можно наблюдать следующее:

1. В воде: При погружении трубки в воду, уровень воды внутри неё становится выше уровня воды в стакане. Чем тоньше трубка, тем выше поднимается в ней вода. Поверхность воды в трубке (мениск) имеет вогнутую форму.

2. В концентрированном растворе поваренной соли: Явление аналогично тому, что наблюдается в воде. Раствор поднимается по трубке, образуя вогнутый мениск. Высота подъема будет незначительно отличаться от высоты подъема чистой воды из-за изменения поверхностного натяжения и плотности жидкости.

3. В другой жидкости (например, растительном масле): Масло также смачивает стенки трубки и поднимается в ней, но высота подъема будет иной, чем у воды, так как масло имеет другие значения поверхностного натяжения и плотности.

Сравнение высоты подъёма одной и той же жидкости в разных трубках

Если опустить в одну и ту же жидкость (например, в воду) две трубки разного диаметра (широкую и узкую), то можно увидеть, что в более узкой трубке жидкость поднимается на значительно большую высоту. Это наблюдение подтверждает формулу Жюрена, согласно которой высота капиллярного подъема $\text{h}$ обратно пропорциональна радиусу трубки $\text{r}$ ($h \propto 1/r$).

Ответ: В трубке с меньшим диаметром одна и та же жидкость поднимается на большую высоту.

Сравнение высоты подъёма разных жидкостей в одной и той же трубке

При использовании одной и той же трубки для разных жидкостей высота подъема будет различной. Сравним высоту подъема для воды, концентрированного раствора соли и растительного масла.

Высота подъема $\text{h}$ прямо пропорциональна поверхностному натяжению $\sigma$ и обратно пропорциональна плотности $\rho$.

• Вода и раствор соли: Добавление соли в воду немного увеличивает как поверхностное натяжение ($\sigma_{соль} > \sigma_{вода}$), так и плотность ($\rho_{соль} > \rho_{вода}$). Однако отношение $\sigma/\rho$ для солевого раствора оказывается немного больше, чем для чистой воды. Поэтому раствор соли поднимется чуть выше, чем вода: $h_{соль} > h_{вода}$.

• Вода и растительное масло: Поверхностное натяжение масла ($\sigma_{масло} \approx 0,032$ Н/м) значительно меньше, чем у воды ($\sigma_{вода} \approx 0,073$ Н/м). Хотя плотность масла также меньше плотности воды, доминирующим фактором является сильное различие в поверхностном натяжении. В результате масло поднимется на заметно меньшую высоту, чем вода: $h_{масло} < h_{вода}$.

Таким образом, высоты подъема этих жидкостей в одной и той же трубке будут соотноситься следующим образом: $h_{масло} < h_{вода} < h_{соль}$.

Ответ: В одной и той же трубке разные жидкости поднимаются на разную высоту, что определяется их физическими свойствами (поверхностным натяжением, плотностью). Из рассмотренных жидкостей ниже всех поднимется растительное масло, а выше всех — концентрированный раствор соли.