Вимірювання поверхневого натягу рідини (варіант 1) – МАНЛаб


Вимірювання поверхневого натягу рідини (варіант 1)

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Скласти експериментальну установку та провести експеримент із утворення бульбашок у воді.
  2. Створити відеозапис експерименту.
  3. З допомогою програмного забезпечення визначити значення надлишкового тиску всередині бульбашки та розрахувати поверхневий натяг.

Обладнання:

установка для утворення бульбашок у рідині (посудина для досліджуваної рідини, капіляр, водяний аспіратор, склянка, з’єднувачі, триходовий кран, силіконові трубки), водяний манометр, термометр, цифровий мікроскоп, ПК, фотоапарат, Tracker (http://physlets.org/tracker/).

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд вікна програми Tracker

Для визначення поверхневого натягу води за даної температури використовується явище утворення бульбашки повітря на невеликій глибині. Бульбашка утворюється на кінці тонкого капіляра, діаметр якого відомий або визначається за допомогою цифрового мікроскопа. Умовою утворення бульбашки повітря є створення в ній надмірного тиску. Як відомо з теорії, максимальний тиск у бульбашці буде за її мінімального діаметру, що відповідає моменту утворення на кінці капіляра.

Установка для вимірювання поверхневого натягу рідини складається з посудини із досліджуваною рідиною та скляної трубки з відтягнутим нижнім кінцем – капіляром. Температура води дорівнює температурі навколишнього повітря і вимірюється термометром. Посудина за допомогою системи трубок з’єднується з водяним манометром та аспіратором. Аспіратор має сполучення з атмосферою через триходовий кран. Коли з аспіратора витікає вода, тиск у посудині знижується, а за деякого його значення Р під дією атмосферного тиску Р0 через капіляр у рідину протискується пухирець повітря. Різниця ΔP = Р0 – Р вимірюється водяним манометром. Триходовий кран з’єднує всю систему з атмосферою і може бути закритим від атмосфери. Тиск всередині повітряного пухирця в рідині у момент відриву дорівнює атмосферному Р0.  Гідростатичним тиском можна знехтувати, оскільки глибина занурення пухирця в рідину є малою. Тому:

   (1),  де

(2).

У цій формулі σ – поверхневий натяг рідини, R – радіус бульбашки, який у момент утворення рівний радіусу капіляра.

Тоді

 (3).

Хід роботи

Частина 1. Отримання відео 

  1. Установіть на столі цифровий мікроскоп, ПК.
  2. Увімкніть мікроскоп та виміряйте діаметр капіляра d. Розрахуйте його радіус R, поділивши його діаметр навпіл, та запишіть значення до таблиці.

Рис. 2. Зовнішній вигляд вікна цифрового мікроскопа

  1. Складіть експериментальний пристрій за схемою.

  1. Заповніть посудину досліджуваною рідиною. Через корок просуньте капіляр так, щоб він торкнувся поверхні рідини. За допомогою триходового крану з’єднайте посудину з атмосферою, щоб різниця тисків у манометрі стала рівною 0. Виміряйте термометром температуру навколишнього повітря.
  2. Закрийте кран так, щоб посудина була з’єднана тільки з аспіратором.
  3. Плавно відкриваючи кран аспіратора, досягніть стану, коли вода з нього витікає краплинами, а бульбашка утворюється в посудині через 5-10 с.
  4. Приготуйте пристрій для відеозапису, оберіть стандартну частоту запису та встановіть його так, щоб уся установка потрапила в кадр. Особливу увагу приділіть тому, щоб у кадрі було добре видно покази рідинного манометра.
  5. Розпочніть запис відео.
  6. Відео має містити процес утворення 5-10 бульбашок.
  7. У разі відсутності можливості отримання відео, завантажте готове з ресурсу. 

Частина 2. Опрацювання відео 

  1. Завантажте відео у програму Tracker. Завантаження здійснюється з використанням кнопки Open у верхньому меню програми.
  1. Завантаження можна здійснити також шляхом «перетягування» файлу запису у вікно програми або через меню File → Import → Video. Якщо програма не дозволила завантажити відео, необхідно дібрати інший його формат, що здійснюється шляхом використання редакторів відео.
  2. Використовуючи кнопки керування в нижній частині вікна з відео, перегляньте запис і виділіть кадри коли різниця тисків була максимальною.
  3. Якщо об’єктив пристрою для зйомки дає спотворення зображення, використайте відповідний фільтр відео.
  4. Установіть повзунок на перший обраний кадр та занесіть до таблиці його номер.
  5. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show, hide or create calibration tools та в меню – New → Calibration Stick. Програма запропонує, утримуючи клавішу Shift, обрати на зображенні першу та другу точку для одиничного відрізка. Для зазначеного експерименту зручно використати шкалу рідинного манометра, проградуйовану в паскалях. Оберіть першу і другу точку на позиції оцифрованих поділок шкали. На відео з’явиться відрізок. Над відрізком необхідно в цифровому полі ввести значення різниці тисків. Кінці відрізка можна вільно переміщувати «перетягуванням» по зображенню. Оберіть повторно кнопку Show, hide or create calibration tools . Одиничний відрізок зникне, але програма запам’ятає його положення та задану одиницю. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show or hide the coordinate axes . На відеозаписі з’являться осі координат. Центр системи координат сумістіть із меніском рідини у лівому коліні.

Рис. 3. Зовнішній вигляд вікна програми Tracker після встановлення осей координат та вимірювального відрізка

  1. Для вимірювання показів манометра оберіть у верхньому меню кнопку Create – Measuring tools – Tape Measure.
  2. У лівому кутку з’явиться вікно Track Control – tape A та на відео – відрізок, кінці якого можна перетягувати.
  3. Сумістіть кінці відрізка з нижньою поверхнею меніска у правому коліні та найближчою точкою на горизонтальній осі координат. Зчитайте значення різниці тисків і запишіть до таблиці.
  4. Перейдіть на наступний обраний вами кадр і повторіть кроки з вимірювання різниці тисків. Продовжуйте ці кроки до останнього обраного кадру. Результати вимірювань записуйте до таблиці.

Аналіз даних

  1. Обрахуйте середнє значення різниці тисків та запишіть його до таблиці.
  2. Розрахуйте поверхневий натяг за середнім значенням різниці тисків, використовуючи вираз (3).
  3. Проаналізуйте експеримент і сформулюйте висновок до роботи.

Таблиця результатів 

Радіус капіляра

R (м)

Виміряна різниця тисків,

Δp(Па)

Середнє значення різниці тисків,

Δpс (Па)

Поверхневий натяг,

σ (Н/м)