Г. Каменка Каменский район, Пензенская область, 2015 Муниципальное общеобразовательное учреждение

Г. Каменка Каменский район, Пензенская область, 2015
Муниципальное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 9 им. Кирилла и Мефодия
г. Каменка
Секция биологии и медицинской физики , молекулярной и
химической физики
Исследовательская работа по теме:
«Изучение методов определения коэффициента поверхностного натяжения.»
Работу выполнил:
Ученик 10 класса Токарев
Никита Владимирович (16 лет)
Руководитель: учитель физики
Петряева Тамара Александровна
(МОУ СОШ №9 Им.Кирилла и
Мефодия города Каменки)
1
Оглавление.
I. Введение.
II. Описание жидкостей.
2.1.Строение жидкости.
III. Поверхностное натяжение.
3.1.Сила поверхностного натяжения.
3.2.Опыты, доказывающие существование сил поверхностного натяжения.
IV. Коэффициент поверхностного натяжения и его измерение.
4.1 Определение коэффициента поверхностного натяжения воды разной
температуры с использованием метода. Сталагмометрический метод (метод счета капель)
4.2 Определение коэффициента поверхностного натяжения воды разной
температуры с использованием метода поднятия в капилляре
V. Заключение.
VI. Литература.
VII. Приложения
2
Введение.
Часто, решая задачи по физике, мы пользуемся различными табличными значениями. Мне
стало интересно, а как же получаются некоторые из них.
Работая с задачником Рымкевич, я наткнулся на задачу, в которой по результатам
лабораторного эксперимента требовалось определить поверхностные свойства жидкости. И
мне захотелось узнать, а какие еще методы существуют для определения поверхностных
свойств жидкости, а также попробовать этот эксперимент выполнить самостоятельно.
Гипотеза:
используя
простые
приспособления,
возможно,
исследовать
поверхностные свойства жидкости.
Цель: Исследовать поверхностное натяжение и изучить существующие методы
определения поверхностного натяжения, создать собственный прибор для определения
коэффициента поверхностного натяжения.
Актуальность исследования: данную тему в школьном образовании часто обходят
стороной из-за отсутствия готовых установок при помощи, которых можно измерить
поверхностные свойства жидкости и показать ученикам на практике, как с ними работать.
Значимость исследования: в ходе своей работы я разработал прототип установки,
которую можно использовать в школах в качестве демонстрационной, а также разработал
лабораторную работу для школьников с использованием моей установки.
Задачи:
1. Изучить литературу по теме поверхностное натяжение
2. Провести
опыты,
доказывающие
существование
сил
поверхностного
натяжения.
3. Изучить методы измерения поверхностного натяжения жидкости.
4. Используя доступные методы, измерить поверхностное натяжение.
5. Представить в виде таблиц результаты измерений поверхностного натяжения и
сравнить с табличными значениями.
6. Выяснить, где применяются аналогичные исследования и для чего.
3
Объект
Предмет
исследования:
исследования:
поверхностное
коэффициент
натяжение
поверхностного
натяжения
жидкости.
жидкости.
Методы исследования: анализ, наблюдение, эксперимент.
II.
Описание жидкостей.
2.1. Строение жидкости
В жидкой фазе молекулы находятся вплотную друг к другу, но, как и в газе,
обладают большой подвижностью и расположены неупорядоченно. Жидкость занимает
промежуточное положение по свойствам между газами и твердыми телами. Жидкость, как
и газы, принимает форму занимаемого сосуда, и, как твердые тела, сохраняет объем. Это
состояние является наиболее сложным по свойствам, и поэтому до сих пор нет вполне
законченной и общепризнанной теории жидкости. Одна из моделей поведения молекул в
жидкости, предложенная Я.И.Френкелем выглядит так. Каждая молекула в течение
некоторого
времени
колеблется
около
положения
равновесия.
При
этом
силы
взаимодействия с соседними молекулами уравновешивают друг друга (Рис. 1). Затем
молекула меняет свое местоположение, скачком перемещаясь в новое положение
равновесия. Таким образом, молекула медленно перемещается внутри жидкости,
странствуя по ее объему. При повышении температуры сильно возрастает подвижность
молекул, а вязкость и поверхностное натяжение падают.
Стремление поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно
наблюдать на многих явлениях. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли
росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму?
Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не совсем точным.
Собственная форма жидкости - шар.
III.
Поверхностное натяжение.
3.1.Сила поверхностного натяжения.
Поверхностный слой жидкости напоминает растянутую упругую пленку. Причиной такого
свойства поверхностного слоя является то, что молекулы в поверхностном слое обладают
дополнительной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости.
Свойство
поверхности
жидкости
сокращаться
объясняется
существованием
сил,
стремящихся сократить эту поверхность. Сила, стремящаяся сократить поверхность
4
жидкости, направленная по касательной к этой поверхности перпендикулярно контуру,
ограничивающему поверхность, называется силой поверхностного натяжения.
3.2.Опыты, доказывающие существование сил поверхностного натяжения.
Опыт с лезвием.
На поверхность воды положим лезвие безопасной бритвы, лезвие не тонет, а будет
удерживаться на поверхности воды, хотя плотность лезвия больше плотности воды. Это
объясняется тем, что прогнутый поверхностный слой, стремясь сократиться, создает силу,
направленную вверх.
Опыт с монетами.
Аккуратно погружая монеты в доверху заполненный стакан, мы наблюдали изменение
поверхностного слоя жидкости
Опыт со спичками демонстрирует, как влияют примеси на поверхностные свойства
жидкости.
IV. Коэффициент поверхностного натяжения и его измерение.
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения,
действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости:
Способы определения
Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и
динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у
сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы
связаны с разрушением поверхностного слоя.
Статические методы:

Метод поднятия в капилляре

Метод Вильгельми

Метод лежачей капли

Метод определения по форме висячей капли.
5

Метод вращающейся капли
Динамические методы:

Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод максимального давления пузырька.

Метод осциллирующей струи

Метод стоячих волн
Многие из данных методов довольно сложно осуществить в условии школьной
лаборатории, поэтому я остановился только на некоторых из них.
4.1.Сталагмометрический метод (динамический метод счета капель (Рисунок 2)).
Как уже отмечалось, под действием поверхностного натяжения свободная поверхность
капель жидкости стремится принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей
поверхностной энергии и наименьшей площади свободной поверхности. Их форма тем
ближе к шаровой, чем меньше вес капель, поскольку для малых капель сила
поверхностного натяжения превосходит силу тяжести.
Форма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависят не только
от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей
жидкости. При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли постепенно
растет. На рисунке показан процесс образования капли. (Рисунок 2)
Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1
капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного
натяжения, удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести
mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли она равна результирующей силе
поверхностного натяжения:
Отсюда следует, что, измеряя массу m одной капли и зная диаметр d шейки капли, можно
вычислить коэффициент поверхностного натяжения.
Массу одной капли я определял взвешиванием на аналитических весах определенного
отсчитанного количества капель и последующего вычисления средней массы одной капли.
6
Приборы и материалы: электронные весы, пипетка, колба, стакан с водой.
Если считать, что диаметр капли равен внутреннему диаметру наконечника, тогда
масса одной капли

m0 –
N – количество капель получаем
mg
N d
Таблица результатов

№
опыта
t
Mстакана
Mс+в
m
N
 ср

d
/-

ср
ср/
C
1.
2.
10 -3кг
46,12
10 -3кг
48,13
48,10
22
3.
48,11
3
10 -3
-
10
10 -3
10 -3
40
1,98
40
1,99
40
Н/м
80
2
Н/м
опыта
t
Mстакана
Mс+в
10 -3
m
N
78,8
79,33 0,53
79,2
0,13
 ср

d
Н/м
0,67

№
0,43

/-
C
1.
2.
3.
10 кг
46,12
66
10 кг
-3
47,92
47,82
47,84
10
3
-
10
кг
3
1,81
40
1,7
40
1,72
40
м
-
10
-3
Н/м
10
-3
Н/м
72
2
67,7
68,4
10
-3
Н/м
2,6
69,4
1,7
0,5
Е
ср
 ср/ ср
ср/
-3
ср/
%
Н/м
2,01

ср
10 -3м
кг
Е
10 -3
Н/
%
м
1,8
2,6
1
7
Описанный способ экспериментального определения коэффициента поверхностного
натяжения жидкости дает хорошие результаты.
Для расчета  по формуле необходимо во время измерения следить за чистотой
капилляра и воды. Кроме того, коэффициент поверхностного натяжения  зависит от
температуры исследуемой жидкости: с ростом температуры он уменьшается. При
комнатной температуре 20 С табличное значение коэффициента  для дистиллированной
воды табл = 72,5103 Н/м.
При 22 0С  =79,3±0,4 мН/м,
а при 500С составляет  =69,4±1,8 мН/м.
Вывод: вода с меньшей температурой имеет наибольшее поверхностное натяжение.
4.2 Метод поднятия в капилляре (статический)
Формула Жюрена (формула Борелли — Жюрена) — формула, определяющая высоту
поднятия жидкости в капиллярах. Названа в честь Дж. Жюрена и Дж. Борелли, которые
экспериментально
установили
некоторые
закономерности
капиллярного
поднятия
соответственно в 1717 и 1670 гг. Формула имеет следующий вид:
Формула получена в предположении о том, что поверхность мениска является сферой, и
применима в случае, если высота поднятия (опускания) жидкости
много больше
радиуса капилляра. Чем меньше радиус капилляра r0, тем на большую высоту поднимается
в ней жидкость. Высота поднятия столба жидкости растет также с увеличением
коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
При отсутствии смачивания, и уровень жидкости в капилляре опускается на величину h.
В своей работе я использовал установку, которую подсмотрел в журнале «Квант» за 1968
год. Там предлагалось вместо капиляра использовать две стеклянные пластинки,
разделенные между собой. При погружении в смачиваемую жидкость уровень становится
8
тем выше чем меньше расстояние между пластинами. В качестве разделителя я
использовал металлическую линейку, с толщиной 0.42мм (толщину измерил при помощи
микрометра), пластины стеклянные заменил на пластины из оргстекла.
Преимущества моей установки :
 можно довольно точно определить диаметр капиляра
 установку легко мыть (при использовании с различными жидкостями)
 легко использовать в школьной лаборатории
 безопасна в применении
Сила поверхностного натяжения, действующая вверх, уравновешена силой тяжести
поднятой жидкости. Это равенство и является основой вывода формулы. В нём сделано
ещё одно упрощение: при подсчете объема столба жидкости будем считать его
параллелепипедом, то есть пренебрежем кривизной верхней поверхности.
В результате проведенных исследований я разработал инструкцию, для проведения
лабораторной работы с использованием моей конструкции. (см приложение 2)
Результаты моих измеренийи вычислений я занес в таблицу.
№ опыта
1.
2.
3.
t
r
H,

C
10 -3м
10 -3м
мН/м
27
2
40
2
50
2
7.5
7
6.8
75
70
68
Вывод: В результате проведенного эксперимента коэффициент поверхностного натяжения,
с увеличением температуры коэффициент уменьшается.
Заключение.
Проделав все опыты, представленные в работе, можно сделать выводы:
 Мы изучили литературу по теме поверхностное натяжение.
9
 Определили коэффициент поверхностного натяжения
с использованием метода
«поднятия в капилляре» и метода «отрыва капель»
 Исследовали зависимость коэффициента поверхностного натяжения воды от
температуры. Выяснили, что с
повышением температуры сила поверхностного
натяжения уменьшается.
 Создал инструкцию по выполнению данной работы.
Определения поверхностного свойства жидкости широко применяют в различных
сферах жизнедеятельности человека

Качественный контроль концентрации ПАВ

Адсорбционные свойства

Процессы разбрызгивания

Процессы нанесения покрытий и печати

Характеристика природных и синтетических волокон

Оптимизация продуктов для волос

Очищающие и моющие средства
Литература

http://ru.wikipedia.org/wiki/Поверхностное_натяжение

http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/molek/uchpos/text/m6_08.htm

http://www.coral-club34.ru/вода-и-ее-значение/поверхностное-натяжение.html
10
Приложение 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения воды при различных
температурах
Приборы и принадлежности: сосуд с водой, пластины их оргстекла, линейка
металлическая
Формула Жюрена (формула Борелли — Жюрена) — формула, определяющая высоту
поднятия жидкости в капиллярах. Названа в честь Дж. Жюрена и Дж. Борелли, которые
экспериментально установили некоторые закономерности капиллярного поднятия
соответственно в 1717 и 1670 гг. Формула имеет следующий вид:
Формула получена в предположении о том, что поверхность мениска является сферой, и
применима в случае, если высота поднятия (опускания) жидкости
много больше
радиуса капилляра. Чем меньше радиус капилляра r0, тем на большую высоту поднимается
в ней жидкость. Высота поднятия столба жидкости растет также с увеличением
коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
При отсутствии смачивания, и уровень жидкости в капилляре опускается на величину h.
ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И ОБРАБОТКА
11
Рабочая установка состоит из кюветы с водой (1), двух пластин из оргстекла (2),
разделенных
между
собой
тонкой
металлической
линейкой(3)
3
2
1
Ход работы.
1. Налить воду в сосуд 1.
2.
Собрать установку
3.
Поместить установку в сосуд с водой
4.
Занести в таблицу значение высоты поднятия жидкости в капилляре
5.
Опыт повторить 3 – 4 раза.
6.
Рассчитать коэффициент поверхностного натяжения по формуле. (Значение
диаметра капилляра d измерить с помощью микрометра)
7.
8.
Измерить температуру жидкости..
Сравнить рассчитанное значение коэффициента поверхностного натяжения с
табличным 9. Рассчитать абсолютную  и относительную Е погрешности искомой
величины:
и
Таблица результатов
№
опыт
 ср
H,
t
d

 ср

Е
Н/м
Н/м
Н/м
%
10 м
-3
а
C
10 -3м
7.5
1.
2.
12
3.
№
 ср
H,
опыт
t
d

 ср

Е
Н/м
Н/м
Н/м
%
10 м
-3
а
C
10 -3м
7.5
4.
5.
6.
3. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ
1. Какова цель работы?
2. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения?
3. Напишите рабочую формулу и поясните входящие в нее величины.
4. Опишите рабочую установку и порядок выполнения работы.
Вывод:_________________________________________________________________
Приложение 2
Рисунок 1
Рисунок 2
13