Як виміряти поверхневий натяг

Поверхневий натяг описує здатність рідини протистояти силі тяжіння. Наприклад, вода на поверхні столу утворює краплі, оскільки молекули води притягуються один до одного, що протидіє силі тяжіння. Саме завдяки поверхневому натягу більш важкі предмети, наприклад комахи, можуть утримуватися на поверхні води. Поверхневий натяг вимірюється в силі (Н), поділеної на одиницю довжини (м), або в кількості енергії на одиницю площі. Сила, з якою взаємодіють молекули води (когезійна сила), викликає натяг, в результаті чого утворюються краплі води (або інших рідин). Поверхневий натяг можна виміряти за допомогою декількох простих предметів, які є практично в кожному будинку, і калькулятора.

кроки

Метод 1 з 3:

C допомогою коромисла

1. Запишіть рівняння для поверхневого натягу. В даному експерименті рівняння для визначення поверхневого натягу виглядає наступним чином: F = 2Sd, де Ф - сила в ньютонах (Н), З - поверхневий натяг в ньютонах на метр (Н / м), д - довжина використовуваної в експерименті голки. Висловимо з цього рівняння поверхневий натяг: З = Ф / 2д.

Сила буде розрахована в кінці експерименту.
Перш ніж приступити до експерименту, за допомогою лінійки виміряйте довжину голки в метрах.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 2

2. Сконструюйте невелике коромисло. В даному експерименті для визначення поверхневого натягу використовуються коромисло і невелика голка, яка плаває на поверхні води. Необхідно уважно поставитися до спорудження коромисла, так як від цього залежить точність результату. Можна використовувати різні матеріали, головне, зробити горизонтальну перекладину з чогось жорсткого: дерева, пластмаси або щільного картону.

Визначте центр стрижня (наприклад, соломинки або пластмасовою лінійки), який ви збираєтеся використовувати в якості поперечини, і просвердлите або проткніть в цьому місці отверстіе- це буде точка опори поперечини, на якій та буде вільно обертатися. Якщо ви використовуєте пластмасову соломинку, просто проткніть її шпилькою або цвяхом.

Просвердлите або проткніть отвори на кінцях поперечини так, щоб вони розташовувалися на однаковій відстані від центру. Протягніть через отвори нитки, на яких ви підвісити чашку для вантажу і голку.

При необхідності підіпріть коромисло книгами або іншими досить твердими предметами, щоб перекладина залишалася в горизонтальному положенні. Необхідно, щоб перекладина вільно оберталася навколо встромлений в її середину цвяха або стрижня.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 3

3. Візьміть шматок алюмінієвої фольги і поверніть її в формі коробочки або блюдця. Зовсім не обов`язково, щоб це блюдце мало правильну квадратну або круглу форму. Ви заповните його водою або іншим вантажем, так що подбайте про те, щоб воно витримало вагу.

Підвісьте коробочку або блюдце з фольги до одного кінця поперечини. Виконайте по краях блюдця невеликі отвори і протягніть через них нитку, так щоб блюдце висіло на перекладині.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 4

4. Підвісьте до іншого кінця поперечини голку або скріпку, так щоб вона розташовувалася горизонтально. Прив`яжіть горизонтально голку або скріпку до нитки, яка звисає з іншого кінця поперечини. Щоб експеримент вдався, необхідно розташувати голку або скріпку саме горизонтально.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 5

5. Додайте на перекладині що-небудь, наприклад пластилін, щоб врівноважити ємність з алюмінієвої фольги. Перш ніж приступити до експерименту, необхідно домогтися, щоб перекладина розташовувалася горизонтально. Блюдце з фольги важче голки, тому на його стороні перекладина опуститься вниз. Прикріпіть до протилежної сторони поперечини достатню кількість пластиліну, щоб вона розташовувалася горизонтально.

Це називається балансуванням.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 6

6. Помістіть звисає на нитці голку або скріпку в ємність з водою. На цьому кроці будуть потрібні додаткові зусилля, щоб розташувати голку на поверхні води. Простежте, щоб голка не поринете в воду. Наповніть ємність водою (або іншою рідиною з невідомим поверхневий натяг) і поставте її під висить голкою, так щоб голка розташувалася прямо на поверхні рідини.

Простежте при цьому, щоб утримує голку мотузка залишалася на місці і була досить натягнута.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 7

7. Зважте на невеликих вагах кілька шпильок або невелика кількість відміряних крапель води. Ви будете додавати в алюмінієве блюдце на коромислі по одній шпильці або краплі води. При цьому необхідно знати точну вагу, при якому голка відірветься від поверхні води.

Порахуйте кількість шпильок або крапель води і зважте їх.

Визначте вага однієї шпильки або краплі води. Для цього поділіть загальна вага на кількість шпильок або крапель.

Припустимо, 30 шпильок важать 15 грамів, тоді 15/30 = 0,5, тобто одна шпилька важить 0,5 грама.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 8

8. Додавайте шпильки або краплі води по одній в блюдце з алюмінієвої фольги до тих пір, поки голка НЕ відірветься від поверхні води. Поступово додавайте по одній шпильці або краплі води. Уважно спостерігайте за голкою, щоб не пропустити момент, коли після чергового збільшення вантажу вона відірветься від води. Як тільки голка відірветься від поверхні рідини, перестаньте додавати шпильки або краплі води.

Порахуйте кількість шпильок або крапель води, при якому голка на протилежному кінці поперечини відірвалася від поверхні води.

Запишіть результат.

Повторіть досвід кілька (5 або 6) раз, щоб отримати більш точні результати.

Порахуйте середнє значення отриманих результатів. Для цього складіть число шпильок або крапель у всіх експериментах і поділіть суму на кількість експериментів.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 9

я. Переведіть число шпильок в силу. Для цього слід помножити кількість грамів на 0,00981 Н / г. Щоб розрахувати поверхневий натяг, необхідно знати силу, яка знадобилася для відриву голки від поверхні води. Оскільки ви порахували вагу шпильок на попередньому кроці, щоб визначити силу, досить помножити цю вагу на 0,00981 Н / г.

Помножте число поміщених в блюдце шпильок на вагу однієї шпильки. Наприклад, якщо ви поклали 5 шпильок вагою по 0,5 грама, їх загальна вага складе 0,5 г / шпилька = 5 x 0,5 = 2,5 грама.

Помножте кількість грамів на множник 0,00981 Н / г: 2,5 x 0,00981 = 0,025 Н.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 10

10. Підставте отримані значення в рівняння і знайдіть шукану величину. За допомогою отриманих в ході експерименту результатів можна визначити поверхневий натяг. Просто підставте знайдені величини і обчисліть результат.

Припустимо, що в наведеному вище прикладі довжина голки становить 0,025 метра. Підставляємо значення в рівняння і отримуємо: S = F / 2d = 0,025 Н / (2 x 0,025) = 0,05 Н / м. Таким чином, поверхневий натяг рідини дорівнює 0,05 Н / м.

Метод 2 з 3:

За капілярному ефекту

1. Дізнайтеся про капілярному ефекті. Щоб зрозуміти капілярні явища, спочатку слід ознайомитися з силами адгезії і когезії. Адгезія викликає прилипання рідини до твердої поверхні, наприклад склу. Завдяки силі когезии молекули рідини притягуються один до одного.. Спільна дія сил адгезії і когезії викликає підняття рідини в тонких трубках.

По висоті підняття рідини в трубці можна розрахувати поверхневий натяг цієї рідини.
Сили когезии призводять до утворення міхурів і крапель на поверхні. При контакті рідини з повітрям молекули рідини притягуються один до одного, в результаті чого утворюється міхур.
Адгезія призводить до утворення меніска, який помітний в місцях контакту рідини зі стінками склянки. Увігнута форма меніска видно неозброєним оком.
Прикладом капілярного ефекту служить підняття рідини в соломинку, опущеною в стакан з водою.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 12

2. Запишіть рівняння для визначення поверхневого натягу. Поверхневий натяг обчислюється наступним чином: S = (ρhga / 2), де З - поверхневий натяг, ρ - щільність досліджуваної рідини, х - висота підйому рідини в трубці, г - прискорення вільного падіння завдяки діючій на рідину силі тяжіння (9,8 м / с), а - радіус капілярної трубки.

При підстановці даних в це рівняння простежте, щоб вони були виражені в метричних одиницях виміру: Щільність в кг / м, висота і радіус в метрах, прискорення вільного падіння в м / с.

Якщо щільність рідини не дана заздалегідь, її можна знайти в довіднику або розрахувати за формулою щільність = маса / об`єм.

Поверхневий натяг вимірюється в ньютонах на метр (Н / м). Ньютон дорівнює 1 кг * м / с. Щоб самостійно визначити одиниці вимірювання, просто підставте в рівняння тільки їх, без чисельних значень: S = кг / м * м * м / с * м. Якщо скоротити два метри в чисельнику і знаменнику, отримуємо 1 кг * м / с / м, тобто 1 Н / м.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 13

3. Налийте в ємність рідина з невідомим поверхневий натяг. Візьміть неглибоку тарілку або миску і налийте в неї рідину, так щоб вона покривала дно на 2-3 сантиметри. Кількість рідини не грає ролі, головне, щоб було чітко видно, наскільки вона підніметься в капілярної трубці.

Якщо ви збираєтеся експериментувати з різними рідинами, ретельно очистіть і висушіть тарілку, перш ніж наливати в неї іншу рідину, або кожен раз використовуйте іншу ємність.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 14

4. Опустіть в рідину чисту тонку трубку. По висоті підйому рідини в цій трубці ви визначите поверхневий натяг. Трубка повинна бути чистою, щоб ви ясно бачили, як високо підніметься рідина над своїм рівнем в тарілці. Крім того, трубка повинна мати постійний радіус.

Щоб виміряти радіус, просто прикладіть лінійку до верхнього краю трубки і визначте діаметр. Потім поділіть діаметр на 2, і ви знайдете радіус.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 15

5. Виміряйте висоту, на яку піднялася рідина над своїм рівнем в тарілці. Підведіть край лінійки до поверхні рідини в тарілці і визначте, на яку висоту піднялася рідина в трубці. Вода в трубці піднімається з-за того, що підйомна сила поверхневого натягу перевищує тягне вниз силу тяжіння.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 16

6. Підставте отримані значення в рівняння і виконайте обчислення. Після того як ви визначите всі необхідні величини, підставте їх в рівняння і знайдіть поверхневий натяг. Не забудьте перевести всі значення в метричні одиниці вимірювання, щоб отримати правильний результат.

Припустимо, ми вимірюємо поверхневий натяг води. Щільність води становить близько 1 кг / м (в даному прикладі ми використовуємо приблизні значення). Прискорення вільного падіння одно 9,8 м / с. Нехай радіус трубки дорівнює 0,029 м, а вода піднялася на висоту 0,5 м. Чому дорівнює поверхневий натяг води?

Підставимо отримані величини в рівняння і отримаємо: S = (ρhga / 2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5) / 2 = 0,1421 / 2 = 0,071 Дж / м.

Метод 3 з 3:

Як визначити відносне поверхневий натяг за допомогою монетки

1. Зберіть все необхідне. Для даного експерименту вам знадобляться піпетка, суха монетка, вода, невелика миска, засіб для миття посуду, рослинне масло і рушник. Все це можна знайти вдома або придбати найближчому магазині. Можна обійтися без засобу для миття посуду і рослинного масла, однак для порівняння вам знадобиться кілька різних рідин.

Перш ніж приступати до експерименту, прослідкуйте, щоб монетка була чистою і сухою. Якщо ви використовуєте мокру монетку, то отримаєте неточні результати.
Даний експеримент не дозволяє розрахувати поверхневий натяг, з його допомогою можна лише порівняти поверхневий натяг різних рідин.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 18

2. Капає на поверхню монетки по одній краплі рідини за раз. Покладіть монетку на рушник або іншу поверхню, яку не страшно намочити. Наберіть в піпетку першу рідина, після чого не поспішаючи наносите на монетку по одній краплі. При цьому вважайте краплі. Продовжуйте до тих пір, поки рідина не проллється за межі монетки.

Запишіть, скільки крапель потрібно для того, щоб рідина пролилася за межі монетки.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 19

3. Повторіть цю процедуру з різними рідинами. Кожен раз при зміні рідини очищайте і сушіть монетку. Сушіть також поверхню, на яку ви кладете монетку. Використовуйте різні піпетки або очищайте піпетку перед новим експериментом.

Спробуйте додати у воду трохи засобу для миття посуду, потім покрапав водою на монетку і подивіться, чи змінилося поверхневий натяг.

Зображення з назвою Measure Surface Tension Step 20

4. Порівняйте число крапель, яке потрібно для різних рідин, щоб заповнити монетку. Спробуйте повторити експеримент з однією рідиною кілька разів, щоб оцінити точність отриманих результатів. Усереднити результати: складіть кількість крапель в різних експериментах і поділіть суму на число експериментів. Запишіть, скільки крапель знадобилося для різних рідин для того, щоб заповнити монетку.

Чим більше крапель тієї чи іншої рідини потрібно для заповнення монетки, тим вище поверхневий натяг даної рідини.

Засіб для миття посуду знижує поверхневий натяг води-додавши його, для заповнення монетки потрібно менше крапель.