Выпускная квалификационная работа

Стр 1 из 9Следующая ⇒

Выпускная квалификационная работа

студента 4 курса 3 группы

физико-математического факультета

ОоржакХерелАдыгжыевич

Работа допущена к защите «___»___________ 2017 г. зав. каф.физики, доцент, к. ф-м. н. ___________________М.И. Чебодаев

___________________(подпись)

Научный руководитель: к. ф-м. н. доцент кафедры физики __________________Ю.А. Хворов

Работа защищена в ГАК «____»________2017 г. с оценкой _______________________________________

Рецензент: _______________

Председатель ГАКд.ф.-м.н., проф. Могульский А.А.

Члены ГАК____________________________________________

Кызыл-2017

Содержание:

Введение………………………………………………………………………….. 3

Глава 1.Теоретические основы капиллярного поднятия жидкости

1.1. Поверхностное натяжение σ жидкостей…………………..………..…… 5

1.2. Краевой угол смачивания. Мениск………………………………..…...… 8

1.3. Смачивание. Не смачивание………………………………..……….……. 8

1.4. Капиллярные явления…………………………………...………………. 10

1.5. Капиллярное поднятие жидкости…………………………………...….. 11

1.6. Жидкость. Капиллярное поднятие в узкой трубке. Формула Жюрена………………………………………………………………………….. 14

Глава 2. Изучение капиллярных явлений жидкостей в школе………..……. 16

2.1. Методическая разработка урока «Капиллярные явления. Явления смачивания и несмачивания» …………………………………………………. 18

Глава 3.Опыты с капиллярным поднятием жидкости……………………… 25

Заключение……………………………………………………….………….….. 30

Список использованной литературы…………………………………….……. 31

Введение

Актуальность в теме капиллярные явления заключается в том, что эти явления очень распространены. И если внимательно посмотреть, то можно их увидеть, даже невооруженным глазом. Просто мы не знаем, что эти явления называются капиллярными.

Явления капиллярности чрезвычайно распространены в природе и играют большую роль в самых разнообразных процессах.

Проникновение воды в почву и во всякого рода пористые материалы происходит за счет капиллярности. На капиллярности основано действие фитилей, впитывание воды гигроскопической ватой [13].

Процессы, связанные с кровообращением, тоже определяются капиллярностью. Кровеносные сосуды являются капиллярами [11].

Капиллярные явления имеют чрезвычайно большое значение в природе и технике. Если б не было бы этого явления, тогда не было бы растений, людей, в конце концов, жизни.

Остановимся на одном из них, наиболее ярко характеризующем практическую значимость поверхностных свойств веществ. В капилляре переменного сечения капля смачиваемой жидкости под воздействием разности лапласовских давлений втягивается в сторону его утончения (рис.1).

Рис. 1. Капля в капилляре переменного сечения.

Этим объясняется так называемое расклинивающее действие смачиваемых жидкостей: жидкости, проникая в микротрещины, увеличивают их и тем самым понижают прочность твердых тел. На основе использования расклинивающего действия были разработаны чрезвычайно эффективные методы обработки различных материалов. Так, например, при шлифовании меди корундовым порошком в воде съем металла при одинаковой затрате работы возрастает более чем в два раза, если в воду введено несколько процентов масляной кислоты[12].

Целью данной работы является изучение методики капиллярных явлений в школьном курсе физики.

Задачи:

1. Исследование характера, сущности капиллярных явлений

2. Определение основных понятий и формул капиллярных явлений.

3. Рассмотреть методику преподаванию капиллярных явлений в школе.

Известно, что маленькая капля воды растекается по чистой поверхности стеклянной пластинки, покрывая ее тонким слоем. В тоже время капля воды на парафинированной пластинке, как и на поверхности листьев некоторых растений, не растекается, а имеют почти правильную форму шара.

Расплавленная капелька олова, помещенная на деревянную подставку, принимает форму шара. Но если провести паяльником с каплей олова по чистой меди, то олово растечется по медному листу, подобно тому, как вода растекается по поверхности чистого стекла.

Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардом да Винчи (1561г.). Затемисследованы Б. Паскалем (XVII в.) и Д. Жюреном (XVIII в.) в опытах с капиллярными трубками [3].

Глава 1. Теоретические основы капиллярного

Поднятия жидкости

1.1.Поверхностное натяжение σ жидкостей

Поверхность жидкости, прикасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом(в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится(рис. 2) в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости[5].

Рис. 2. Молекулы, находящие на пограничном

Слое жидкости и в глубине.

Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами той же жидкости не со всех сторон(рис. 2). Часть «соседей» поверхностных молекул - это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Она, эта среда, может отличаться от жидкости, как природой, так и плотностью частиц. Имея же разных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. Вследствие этого перемещение молекулы из поверхностного слоя вглубь жидкости или вглубь среды, с которой она граничит, сопровождается совершением работы (внутри жидкости молекулы, со всех сторон окруженные точно такими же частицами, находятся в равновесии, и их перемещение не требует затраты работы). Величина и знак этой работы зависят от соотношения между силами взаимодействия молекул поверхностного слоя со «своими» же молекулами и с молекулами второй среды.

В случае если жидкость граничит со своим собственным паром (насыщенным), т. е. в случае, когда мы имеем дело с одним веществом, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жидкости много больше, чем в насыщенном паре над жидкостью, и поэтому сила притяжения, испытываемая молекулой поверхностного слоя со стороны молекул жидкости, больше, чем со стороны молекул пара.

Поверхностные явления – совокупность явлений, обусловленных тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности [13].

Представим себе, что по тем или иным причинам поверхность жидкости увеличивается (растягивается). Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Для этого, надо затратить внешнюю работу, другими словами, увеличение поверхности жидкости сопровождается отрицательной работой. Наоборот, при сокращении поверхности совершается положительная работа.

Если при постоянной температуре обратимым путем изменить поверхность жидкости на бесконечно малую величину, то необходимая для этого работа

(1).

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности ( >0) сопровождается отрицательной работой.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ>0). Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Очевидно в системе СИ он имеет размерность Дж/м².

Из сказанного ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Обозначим ее U_s. Эта энергия, как всегда, измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости.

Поскольку энергия U_s обязана своим происхождением наличию поверхности жидкости, то она должна быть пропорциональна площади S поверхности жидкости

(2)

тогда изменение площади поверхности dS повлечет за собой изменение потенциальной энергии

(3)

которое сопровождается работой

(4)

в полном соответствии с (3)[3].

Это выражение можно получить, приравнивая работу, совершаемую внешними силами при увеличении площади поверхности горизонтальной пленки (рис.3), приращению поверхностной энергии

Fx= 2σlx= ∆U_s.(5)

При перемещении перемычки на рис.3 площадь свободной поверхности жидкости возрастает на ∆S = 2lx, так как пленка имеет две свободные поверхности. Поскольку рассматриваемое медленное изменение поверхности, при котором в каждый момент имеется равновесие сил, является обратимым, то поверхностную энергию можно считать потенциальной[2].

Если, изменение поверхности S осуществляется при постоянной температуре, т.е. изотермически (и обратимо), то, потребная для этого работа равна изменению свободной энергии F поверхности

dA= - dF. (6)

Рис. 3. Силы поверхностного натяжения.

Если изменение поверхности жидкости произвести адиабатно, то ее температура изменится, например, увеличение поверхности приведет к ее охлаждению. Значит, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости, о которой говорилось выше, является свободной энергией поверхности и, следовательно,

(7)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности(3).

Теперь ясно, в чем заключаются указанные выше особые условия, в которых находится поверхность жидкости. Они заключаются в том, что поверхность жидкости обладает избыточной по сравнению с остальной массой жидкости потенциальной (свободной) энергией.

Смачивание. Несмачивание.

Вода смачивает стекло, но не смачивает свинец. Ртуть, напротив, смачивает свинец, но не смачивает стекло. Точно так же и свойства твердого тела сами по себе еще не могут определить, будет ли происходить смачивание или нет: стекло смачивается водой, но не смачивается ртутью. Следовательно, ясно, что смачивание зависит в первую очередь от характера взаимодействия между контактирующими веществами. Это взаимодействие должно быть достаточно интенсивным, чтобы удерживать капли жидкости возле твердой поверхности.

Аналогично объясняется возможность «носить воду в решете». Если покрыть нити, из которых сплетено решето, парафином и слой воды не очень велик, то небольшое перемещение уровня жидкости вниз будет сопровождаться увеличением поверхностной энергии, превосходящим по величине уменьшения энергии в поле сил тяготения. Поэтому вода будет удерживаться в решете, не проливаясь [9].

Основную роль смачивания играет сила, происхождение которых обусловлено особым энергетическим состоянием поверхностного слоя любых тел в конденсированном состоянии.

Эти силы часто называют капиллярными, так как именно они обеспечивают подъем смачивающих жидкостей в капиллярах (т.е. двигаться в направлении, противоположно действию силы тяжести) [1].

Когда жидкость смачивает подложку (твердую или жидкую), эти силы заставляют нанесенную каплю растечься на некоторую площадь, превышающую площадь начального контакта. Поэтому можно предложить и такое определение смачивания. Смачиванием называется физико-химическое явление самопроизвольного увеличение площади контакта жидкости с поверхности твердого тела под действием поверхностью (капиллярных) сил.

Смачивание - явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по твердой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью [13].

Смачивание – явление, возникающее при контакте твердых тел с жидкостями в результате молекулярного взаимодействия между ними» [1].

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис.5(а), либо так, как показано на рис. 5(б).

Рис.5 (а)Несмачивание Рис.5(б) Смачивание

В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис.5 угол θ называют краевым углом. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, где граничат твердое тело, жидкость и газ; внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих — тупой. Чтобы действие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю надо брать как можно меньше.

Смачивание бывает двух видов:

Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

Контактное (состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Степень смачивания характеризуется углом смачивания.

Угол смачивания (или краевой угол смачивания)–это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока (2009) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Капиллярные явления

При взаимодействии со стенкой сосуда силы поверхностного натяжения стремятся либо поднять уровень жидкости (см. рис.5, а), либо опустить его (см. рис. 5, б).

Если стенки трубки смачиваются жидкостью, то жидкость в ней поднимается (см. рис.6, а), сели не смачиваются, то отпускается (см. рис.6, б). Давление столба жидкости в трубке, поднятой на высоту h, компенсируется давлением, создаваемым поверхностным натяжением искривленной поверхности и направленным вверх (см. рис.6, а).

С учетом формулы , имеем ,где ρ – плотность жидкости,R – радиус кривизны поверхности жидкости, r – радиус трубки

Рис. 6, б. Капиллярные явления

Рис. 6, а. Капиллярные явления

Аналогично вычисляется глубина, на которую опускается уровень (см. рис. 9, б), когда жидкость несмачивающая. Высота ее подъема увеличивается с уменьшением радиуса трубки и велика у достаточно узких трубок, называемых капиллярами. Благодаря этому явления, обусловленные взаимодействием жидкости со стенками трубок, приводящем к возникновению поверхностного натяжения, получили название капиллярных.

Движение жидкости в капиллярах происходит под действием сил поверхностного натяжения. Однако поверхностное натяжение может вызывать не только движение жидкости в капиллярах, но и движение частиц на поверхности жидкости.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие – опускаются.

Капиллярные явления – физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром.

Рис. 7. Сферическая капля жидкости с радиусом сферы r .

При увеличении радиуса сферы растет площадь ее поверхности, а вместе с ней и поверхностная энергия. Это может быть достигнуто только ценой затраты работы. Наоборот, при уменьшении радиуса капли поверхностная энергия уменьшается. Это значит, что работа производится силами, действующими в самой капле. Отсюда следует, что объем жидкости под сферической поверхностью всегда несколько сжат, т. е. испытывает дополнительное давление, направленное радиально, т. е. перпендикулярно к поверхности. Эти соображения позволяют вычислить и величину этого дополнительного давления, связанного с кривизной поверхности. Действительно, пусть под действием этого давления жидкий шар уменьшит свой объем на dV, как это показано на рис. Работа сжатия жидкости произведена, очевидно, за счет уменьшения поверхностной энергии. Работа сжатия dA равна, как известно, pdV, где p — давление, т.е.

dA = pdV . (8)

Уменьшение же поверхностной энергии

dF = σ dS , (9)

где dS — уменьшение поверхности шара, соответствующее уменьшению радиуса на dr. Из известных формул для поверхности и объема шара s = 4π r 2 и V =(4/3)π r 3 получаем очевидные выражения:

dV= 4 , (10)

dS=8 . (11)

Подставляя эти значения для dS и dV в уравнения (21) и (22) и принимая во внимание, что | dA |=| dF |,получаем

(12)

откуда для давления, оказываемого на жидкость ее кривой поверхностью, получается следующее выражение[8]

(13)

Рис. 8. Часть сферической поверхности жидкости.

Возникновение дополнительного давления особенно ясно видно из рисунка 8, на котором изображена часть сферической поверхности жидкости. К любому элементу длины окружности ABCD приложены силы поверхностного натяжения, направленные касательной поверхности сферы. Из рисунка видно, что равнодействующая этих сил направлена к центру сферы. Отнесенная к единице площади поверхности эта равнодействующая сила и является тем дополнительным давлением, которое испытывает жидкость под искривленной поверхностью и которое выражается формулой Лапласа.

Рис.9. Положение жидкости в случае смачивания (слева)

и несмачивания (справа).

Знак его положителен, если сила давления F направлена внутрь, и отрицателен для вогнутых поверхностей, если F направлена наружу. Такой случай встречается при опускании в жидкость узких трубок (капилляров). На рисунке 9 показано положение жидкости в случае смачивания (слева) и несмачивания (справа) [4].

Формула Жюрена

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкость присуще некоторые черты твердого тела (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа(принимает форму сосуда, в котором находится, может непрерывно переходить в газ), в то же время она обладает рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная – текучесть.

По химическому составу различают однокомпонентные, или чистые жидкости и двух- или многокомпонентные жидкие смеси (растворы).По физической природе жидкости делятся на нормальные(обычные) жидкости, жидкие кристаллы с сильно выраженной анизотропией и квантовые жидкости. Нормальные чистые жидкости имеют только одну жидкую фазу, может находиться в двух жидких фазах – нормальной и сверхтекучей,в нормальной и двух сверхтекучих. Жидкокристаллические вещества – в нормальной и одной или даже нескольких анизотропных фазах.

Рис. 10. Трубка, опущенная в широкий сосуд с жидкостью:

r – радиус трубки, h – высота капиллярного поднятие жидкости.

На рис. 10 изображена узкая трубка, опущенная в широкий сосуд с жидкостью. Пусть стенки трубки смачиваются жидкостью. Тогда жидкость, проникшая в трубку, образует вогнутый мениск. Пусть трубка настолько узка, что ее радиус r сравним с радиусом r₀мениска.

Вследствие давления, вызванного кривизной поверхности, жидкость, заполняющая трубку, испытывает давление p, направленное к центру кривизны мениска, т. е. вверх, и равное 2σ/r₀, гдеr₀ – радиус мениска и σ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Под действием этого давления жидкость поднимается по трубке до уровня h, при котором гидростатическое давление ρghстолба жидкости высотой h уравновешивает давление p. Условием равновесия будет, следовательно, равенство

2σ/r₀= ρgh, (14)

где ρ — плотность жидкости, а g— ускорение силы тяжести. Это равенство определяет высоту подъема жидкости в капилляре.

Рис. 16. Мениск и капилляр.

- радиус мениска, - краевой угол жидкости, r – радиус трубки.

Нетрудно установить связь между высотой подъема h и радиусом трубки r. Обратимся для этого к рис. 11, на котором мениск и капилляр изображен в крупном масштабе. Центр сферы, частью которой является мениск, находится в точке О. Краевой угол жидкости, соприкасающейся со стенками капилляра, равен θ. Из чертежа непосредственно следует, что . Поэтому равенство перепишется в виде:

, (15)

откуда [3]

. (16)

Это выражение, известное как формула Д. Жюрена(J.Jurin, 1684—1750), определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости[16].

В частности, для жидкости, которая полностью смачивает стенки капилляра и для которой, следовательно, θ= 0, а cosθ = 1, имеем

. (17)

Как и следовало ожидать, высота подъема жидкости в капилляре (капиллярный подъем) растет с уменьшением радиуса капилляра и с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Если жидкость не смачивает капилляра, картина будет обратной, так как мениск теперь выпуклый, а центр кривизны находится не вне, а внутри жидкости, и давление Лапласа окажется направленным вниз. Уровень жидкости в капилляре будет теперь ниже уровня в сосуде, в который опущен капилляр (отрицательный капиллярный подъем). Разность уровней h и в этом случае определяется уравнением (16) или (17) [8].

В школе

Вызывание интереса у учащихся — это опыт, который, казалось бы, противоречит их предыдущим знаниям: если взять сообщающиеся сосуды, один из которых капиллярный, то жидкость в них устанавливается на различных уровнях. Смачивающая жидкость в капилляре поднимается выше уровня в широком сосуде, а не смачивающая опускается ниже уровня в широком сосуде.

Объяснение этому явления проще всего ведется, исходя из условия равновесия столба жидкости, поднятого в капиллярной трубке над уровнем в широком сосуде.

В средних школах только такие случаи и целесообразно рассматривать.

Изложение капиллярных явлений наиболее целесообразно дать в такой последовательности:

Ø форма поверхности смачивающей и не смачивающей жидкости в капилляре;

Ø зависимость давления в жидкости от формы ее поверхности;

Ø подъем жидкостей в капиллярных трубках;

Ø практические применения капиллярных явлений.

Применяя полученные ранее учащимся знания, устанавливают, что поверхность смачивающей жидкости у стенок сосуда вогнутая, причем в капилляре ее можно принять за полусферу. Не смачивающая жидкость образует в узком сосуде выпуклый мениск.

Наиболее сложен вопрос о равновесии кривых поверхностей жидкости, т.е. вопрос о давлении, связанном с кривизной поверхности жидкости. К этому вопросу следует подойти от эксперимента, показав на ряде опытов, что давление внутри жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше, а в случае вогнутого мениска жидкости меньше, чем в случае плоской поверхности.

Установив на опытах, что давление под кривыми поверхностями жидкости отличается от давления под плоской поверхностью и что оно зависит от радиуса кривизны, нужно перейти к количественным соотношениям и сообщить учащимся, что разность давлений для шаровых поверхностей

, (18)

где р – давление под кривой поверхностью жидкости, а р₀ – давление под плоской поверхностью (равное внешнему давлению).

Разность давлений р – р₀ часто называют капиллярным давлением (р_к).

Как показывает формула, капиллярное давление пропорционально поверхностному натяжению жидкости и обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности.

Формула капиллярного давления позволяет вычислить высоту, на которую поднимается смачивающая или опускается несмачивающая жидкость в капилляре над ее уровнем в широком сосуде. Смачивающая жидкость в капиллярной трубке поднимается потому, что давление под плоской поверхностью в широком сосуде больше, чем под вогнутой поверхностью в капилляре, на величину .

Равновесия жидкости наступает тогда, когда поднятый столб жидкости своим весовым давлением уравновесит капиллярное давление:

, (19)

откуда

. (20)

В этой формуле r – радиус кривизны поверхности, равный радиусу капилляра для случая полусферического мениска.

Следует обратить внимание учащихся на то, что капиллярные явления весьма распространены. Очень многие окружающие нас тела: дерево, бумага, ткань, кожа, различные строительные материалы – имеют в себе множество мелких каналов. Вода или другие смачивающие их жидкости, придя в соприкосновение с такими телами, впитываются ими, поднимаясь по капиллярам.

Так, чернила поднимаются по промокательной бумаге, керосин – по фитилю, вода – по стеблям растений и по промежуткам между частицами почвы и т.д.

Лабораторная работа № 1

Таблица №1. Результаты измерение обычной воды.

	h
Температура, ºС
18	1,1	0,4	0,3	0,2
38	1,3	0,4	0,3	0,2
44	1,5	0,6	0,3	0,2

Рис. 2. Зависимость поднятия обычной воды в капилляре от температуры

Растительное масло:

Т₁=27 º C. h₁ = 0,008 м; h₂= 0,005 м; h₃ = 0,003 м; h₄= 0,002м.

Т₂=36,5 º C. h₁ = 0,008 м; h₂= 0,005 м; h₃ = 0,003 м; h₄= 0,002 м.

Т₃=46 º C. h₁ = 0,008 м; h₂= 0,005 м; h₃ = 0,003 м; h₄= 0,002 м.

Таблица № 2. Результаты измерений растительного масла.

Температура, ºС
27	0,8	0,5	0,3	0,2
36	0,8	0,5	0,3	0,2
46	0,8	0,5	0,3	0,2

Рис. 3. Зависимость поднятия растительного масла в капилляре от температуры

Вывод: Между высотой поднятия жидкости в капилляре и её температурой существует линейная зависимость; с уменьшением температуры жидкости увеличивается высота её подъема в капиллярной трубке, так как при этом уменьшается коэффициент поверхностного натяжения жидкости. По результатам опыта установили, что высота поднятия жидкости зависит от радиуса капилляра, от силы поверхностного натяжения и от жидкости. Высота поднятия жидкости не зависит от температуры. Следует обратить внимание учащихся на то, что капиллярные явления весьма распространены. Очень многие окружающие нас тела: дерево, бумага, ткань, кожа, различные строительные материалы – имеют в себе множество мелких каналов. Вода или другие смачивающие их жидкости, придя в соприкосновение с такими телами, впитываются ими, поднимаясь по капиллярам.

Лабораторная работа № 2.

Содержание работы.

Смачивающая жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъём жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила, действующая на жидкость вверх, F_в не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:

F_в = mg.

По третьему закону Ньютона сила F_в, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения F_пов, действующей на стенку капилляра по линии соприкосновения её с жидкостью:

F_в = F_пов.

Таким образом, при равновесии жидкости в капилляре (рисунок 1)

F_пов = mg. (1)

Рисунок 1.

Будем считать, что мениск имеет форму полусферы, радиус которой r равен радиусу капилляра. Длина контура, ограничивающего поверхность жидкости, равна длине окружности:

l = 2πr.

Тогда сила поверхностного натяжения равна:

F_пов = σ2πr, (2)

где σ – поверхностное натяжение жидкости.

Масса столба жидкости объёмом V = πr²h равна:

m = ρV = ρ πr²h. (3)

Подставляя выражение (2) для F_пов и массы (3) в условие равновесия жидкости в капилляре, получим

σ2πr = ρ πr²hg,

откуда диаметр капилляра

D = 2r = 4σ/ ρgh. (4)

Порядок выполнения работы.

1. Полосками фильтровальной бумаги и хлопчатобумажной ткани одновременно прикоснитесь к поверхности подкрашенной воды в стакане (рисунок 2), наблюдая поднятие воды в полосках.

2. Как только прекратится подъём воды, полоски выньте и измерьте линейкой высоты h₁ и h₂ поднятия в них воды.

3. Абсолютные погрешности измерения Δ h₁ и Δ h₂ принимают равными удвоенной цене деления линейки.

Δ h₁ = 2 мм;

Δ h₂ = 2 мм.

4. Рассчитайте диаметр капилляров по формуле (4).

Рисунок 2

D₁ = 4σ/ ρgh₁

D₂ = 4σ/ ρgh₂.

Для воды σ ± Δσ = (7, 3 ± 0, 05)х10^-2 Н/ м.

5. Рассчитайте абсолютные погрешности Δ D₁ и Δ D₂ при косвенном измерении диаметра капилляров.

Δ D₁ = D₁(Δσ/ σ + Δ h₁/ h₁);

Δ D₂ = D₂(Δσ/ σ + Δ h₂/ h₂).

Погрешностями Δ g и Δ ρ можно пренебречь.

6. Окончательный результат измерения диаметра капилляров представьте в виде

D₁ ± Δ D₁ =

D₂ ± Δ D₂ =

7. Сделайте вывод по проделанной работе.

Заключение

Цель настоящей работы заключается в разработке методики изучения капиллярных явлений. Для достижения указанной цели были поставлены ряд задач.

При решении задачи – исследования научной литературы – в работе изучены и отобраны труды ряд ученных. Приведена история возникновения величины. Дано определение капиллярных явлений, с разных точек зрения.

На основе этих закономерностей можно в ряде случаев достаточно точно предвидеть, будет ли иметь место капиллярного поднятия в той или иной системе, проанализировать, какое влияние могут оказать различные физико-химические факторы. Таким образом, сейчас можно прогнозировать наличие (или отсутствие) капиллярного поднятия в ряде систем, а также управлять процессом капиллярного поднятия в желаемом направлении. И все же нужно подчеркнуть, что, несмотря на большой объем знаний, который сейчас накоплен в этой области, многие интересные и важные вопросы еще не решены. Дело в том, что знание только общих закономерностей капиллярного поднятия не всегда оказывается достаточным: для решения ряда конкретных задач нужны подробные экспериментальные сведения об особенностях той или иной системы. Перечень теоретических и экспериментальных проблем, решение которых необходимо для углубления и расширения знаний о механизме капиллярного поднятия и растекания, довольно обширен.

Список использованной литературы:

1. Большая Советская энциклопедия. – М.:1989., - 928 c.

2. Бутиков Е.И., Биков А.А., Контратев А.С. Физика в примерах и задачах. 3-е изд., - М.: Наука. 1989. – 464 с.

3. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Молекулярная физика. - М.: Просвещение, 1982. – 207 с.

4. Горюнов Ю.В., Сумм Б.Д. Смачивание. – М.: Знание. 1972. – 54 с.

5. Касьянов В.А. Физика 10кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб.заведений. – 3-е изд. стереотип. – М.: Дрофа, 2002. – 416 c.

6. Кикоин А. К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. - М.: Наука. 1976. – 480 с.

7. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: учебник для физ. спец. вузов – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Просвещение. 1987. – 360 с.

8. Савельев И. В. Курс общей физики.т. 1. - 3-е издание, - М.: Наука. 1986. – 432 с.

9. Сивухин Д.В. Общий курс физики.т. 2. Термодинамика и молекулярная физика.- М.: Наука. 1975. – 552 с.

10. Телеснин Р. В. Молекулярная физика. Высшая школа-М.: Дрофа. 1965. – 291 с.

11. Физический энциклопедический словарь. - М.: 1983 г. – 696 с.

12. Фреш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики.т. 1: 3-е издание. – М.: Просвещение. 1951. – 265 с.

13. Щербаков А.М. Физика поверхностей. Учебное пособие. – Калинин.: Книга. 1997. – 78 с.

14. Элементарный учебник физики: Учебное пособие в 3 т./Под ред. Г.Е. Ландсберга: т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. 12-е изд.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2001. – 608с.

15. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. 1-е изд.,-М.: Наука. 1989. –576с.

16. Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика.- М.: Просвещение. 1976. – 307 с.