Вимірювання поверхневого натягу рідини (варіант 2)

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.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Установку для визначення коефіцієнта поверхневого натягу води методом відриву кільця зображено на рис.1. Тонкостінне кільце (виготовлене з матеріалу, що добре змочується досліджуваною рідиною) підвішується на датчику сили, з’єднаному з АЦП. Кільце підвішують так, щоб його вісь була вертикальною. Під кільцем на підіймальному столику встановлена чашка Петрі, в яку налита досліджувана рідина. Під час підведення чашки з рідиною кільце трохи втягнеться всередину рідини. Якщо після цього почнемо повільно опускати посудину з водою, сила, яка реєструється датчиком, поступово зростатиме, аж поки кільце не відірветься від поверхні води. При цьому відбудеться розрив поверхневої плівки по обидві сторони контуру кільця. Якщо виміряти силу  F , яку необхідно прикласти до кільця, щоби розірвати поверхневу плівку, та обчислити внутрішні і зовнішні контури кільця d₁ та d₂, то визначимо поверхневий натяг за формулою:

 (1) ,

де d₁ – внутрішній діаметр кільця; d₂ – зовнішній діаметр кільця.

Враховуючи, що товщина стінки кільця дуже мала, внутрішній та зовнішній діаметри можна вважати однаковими. Тоді робочий вираз для розрахунку поверхневого натягу набуде вигляду:

 (2).

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

1. Установіть на столі штатив, ПК, ЦВК з датчиком сили. Помістіть під датчиком сили підіймальний столик із чашкою Петрі.
2. Влийте у чашку Петрі досліджувану рідину, наприклад воду.
3. Виміряйте діаметр кільця d, округливши значення до міліметрів (у нашому випадку 24 мм). Запишіть результат до таблиці. Закріпіть кільце на гачку датчика сили.
4. Увімкніть ЦВК та визначте як чутливий елемент датчик сили.
5. Запрограмуйте ЦВК вимірювати необмежену кількість даних та встановіть частоту замірів 5 замірів на секунду. Чутливість датчика оберіть у мН.
6. Увімкніть запис даних і повільно піднімайте столик до того моменту, коли кільце зануриться в рідину. Далі повільно опускайте столик до моменту відриву кільця від поверхні рідини. Дайте заспокоїтися коливанням кільця і повторіть дії. Зупиніть запис даних.
7. У разі відсутності можливості проведення експерименту завантажте дані вимірювань із ресурсу.

Аналіз даних

1. Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.
2. У графічному вікні розташований графік зміни сили. На початку оптимізуйте масштаб, для чого оберіть у верхньому меню кнопку Приладжування .
3. Оберіть верхньому меню кнопку Огляд . У вікні графіка з’явиться рамка, розміри якої можна змінювати перетягуванням за кутки. Прилаштуйте розмір та позицію рамки так, щоб верхній її край торкався піка графіка, що відповідає моменту відриву, а нижній край – стану рівноваги кільця у повітрі.
4. Зчитайте у вікні поряд з рамкою значення різниці виміряних сил, що відповідає силі, яку потрібно прикласти для відриву кільця F, і занотуйте його до таблиці.
5. Повторіть виміри для інших піків на графіку та знайдіть середнє значення сили відриву.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіком зміни сили та вимірювальною рамкою

6. Користуючись виразом (2), обрахуйте поверхневий натяг рідини. Занотуйте значення до таблиці.
7. Проаналізуйте впливові фактори, що визначають значення поверхневого натягу, та сформулюйте висновок до роботи.

Таблиця результатів