Получение мыльных плёнок на каркасах разной формы
Оборудование: 1) проекционный аппарат; 2) пружинный динамометр на 1 Г с ценой деления 100 мГ; 3) штатив; 4) кристаллизатор или плоскопараллельная кювета на стержне; 5) два проволочных каркаса – кольцо с ниткой и «качели»; 6) П-образный каркас из проволоки с подвижной перекладиной; 7) мыльный раствор.
Подвешивают на штативе «качели», т.е.
две прямые проволочки диаметром 0,3 мм и длиной приблизительно 50 мм,
предварительно связывают между собой тонкими нитями
(рис. 11, а) [3]. Затем подносят снизу кристаллизатор или плоскопараллельную
кювету с мыльным раствором, чтобы проволочка погрузилась в раствор. Медленно
опускают вниз кювету и получают между проволоками и нитями сплошную мыльную
плёнку. Обращают внимание, что нижняя проволочка «качелей» заметно поднялась
вверх, а боковые нити приняли форму дуг (рис. 11, б).
Если слегка потянуть за нижнюю нить, то плёнка растянется и каркас примет вид правильного прямоугольника. Если же нить отпустить, то нижняя проволочная перекладина опять поднимется и поверхность плёнки снова сократится.
Заменяют качели проволочным каркасом в виде кольца, к которому свободно (без натяжения) привязана тонкая (лучше шелковая) нитка с петелькой в средней части (рис. 12, а). Как и предыдущем опыте, получают на поверхности кольца сплошную мыльную плёнку. Затем прорывают её, например, в правой части кольца и опять обнаруживают значительное уменьшение поверхности плёнки, так как нить принимает форму дуги окружности (рис. 12, б)[2].
Снова получают сплошную плёнку на проволочном кольце и прорывают её внутри нитяной петельки. Нить растянется и образует правильную окружность (рис. 12, в).
Эти опыты убеждают учащихся в наличии поверхностного натяжения. Кроме того, они показывают, что плёнка изменяется, если ей предоставить возможность, в сторону уменьшения поверхности и, что силы поверхностного натяжения всегда направлены перпендикулярно к любому элементу контура, ограничивающего плёнку.
Демонстрировать описанные опыты удобно в проекции. Для этого рекомендуется установка, схематически изображённая на рис. 13.
Далее надо показать учащимся один из простейших методов определения коэффициента поверхностного натяжения какой-либо жидкости, например мыльного раствора [3]. Для это может быть применён самодельный прибор, изображённый на рис. 14, состоящий из чувствительного пружинного динамометра и подвешенной к нему проволочной П-образной петли шириной 50 мм. динамометр снабжён прозрачной шкалой, изготовленной из органического стекла ил целлулоида, с нанесёнными делениями от 0 до 1 Г, с ценой деления 100 мГ.
Для демонстрации опыта поступают так. Сначала устанавливают вблизи конденсора проекционного аппарата динамометр с подвешенным к нему П-образным каркасом и проецируют шкалу динамометра на экран. Схема для проецирования установки показана на рис. 15, а та часть установки, изображение которой должно быть получено на экране, выделена пунктиром на рис. 16.
Чтобы не учитывать в дальнейшем вес петли, нужно перед проецированием прибора отвернуть слегка винт а (рис. 16) и, переместив пружину, установить указатель против нуля шкалы.
Затем подставляют под петлю кристаллизатор с мыльным раствором так, чтобы верхняя сторона петли была погружена в раствор. При опускании кристаллизатора петля затянется сплошной мыльной плёнкой. На пружину будет действовать направленная вниз сила поверхностного натяжения, которую легко определить по показаниям динамометра, заметным для всего класса. А зная силу, например 350 мГ, и длину проволочной перекладины (5 см) легко найти коэффициент поверхностного натяжения:
. (1)
Полученная таким образом величина, довольно хорошо соответствует истинному значению коэффициента поверхностного натяжения, на что и следует обратить внимание учащихся.
Перед проецированием динамометра полезно нарисовать схему опыта на классной доске и показать сначала без проекции образование плёнки на П-образной рамке.
Для изготовления чувствительного динамометра, применённого в описанном опыте, очень важно выбрать достаточно тонкую и упругую проволоку. Наиболее подходящей оказалась проволока от спирали малой лабораторной электроплитки. Эту проволоку в количестве 16 витков тщательно навивают на круглый стержень (карандаш) диаметром 8 мм, зажатый предварительно в тиски. Затем пружину снимают со стрежня и придают ей форму и размеры.
Далее вставляют пружину через тонкую металлическую трубку в отверстие стержня с зажимным винтом. Трубка, имеющая узкую прорезь на боковой поверхности для указателя, должна быть заранее припаяна к стержню. За указателем, припаянным к пружине, укреплена тонкая пластинка из органического стекла, на которой наносятся штрихи с помощью острой иглы. Чтобы увеличить видимость, в углубление штрихов полезно втереть графит от обычного карандаша или чёрную тушь.
Градуировка шкалы производится с помощью разновеса: 1 Г, 500 мГ, 200 мГ, 200 мГ и 100 мГ. Таким образом, вся шкала, рассчитанная на 1 Г, имеет 10 делений с ценой каждого деления 100 мГ.
Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капель
Оборудование. 1) Линейка
измерительная. 2) Весы.
3) Разновес. 4) Штатив с муфтами и лапкой. 5) Колба коническая. 6) Стакан
химический 50 см3. 7) Воронка. 8) Кран стеклянный с наконечником
(рис. 17) [4].
Установка, изображённая на рисунке, служит для определения постоянной поверхностного натяжения жидкости методом капель. В качестве исследуемой жидкости удобнее всего взять дистиллированную воду. Работа проводится в такой последовательности:
1) При помощи масштабной линейки измеряют диаметр канала стеклянной трубки, причём на глаз отсчитывают десятые доли миллиметра. В таком случае погрешность измерения не будет превышать 0,2 мм.
2) Взвешивают химический стаканчик для собирания капель с точностью до сотых долей грамма.
3) Закрывают кран и наливают воду. Подставляют под трубку колбу и, приоткрывая кран, добиваются, чтобы капли падали достаточно медленно1. Тогда можно считать, что отрывание капель происходит только под действием веса.
После этого под трубку подставляют стаканчик2 и отсчитывают в него несколько десятков капель.
4) Вторично производят взвешивание стаканчика и находят массу воду.
Чтобы получить постоянную поверхностного натяжения, пользуются уравнением
, (2)
где М – масса воды, n – число капель, D – диаметр канала трубки, g – ускорение силы тяжести.
Приводим примерные результаты, полученные из опыта:
масса пустого стаканчика М1=22,62±0,01 г,
масса стаканчика с водой М2=30,97±0,01 г,
масса воды М=8,35±0,02 г,
количество капель n=100,
диаметр отверстия трубки D=0,35±0,02 см.
Тогда
»74 дн/см. (3)
Количество капель как результат счёта есть точное число. Если взять p=3,14 и g=981 см/сек2, то относительные погрешности этих величин так же, как и для массы капли, будут слишком малы по сравнению с относительной погрешностью измерения диаметра канала трубки, чтобы заметным образом повлиять на величину относительной погрешности результата. Поэтому можно принять
; (4)
следовательно,
, или приблизительно 6%.
Таким образом,
Ds=74×0,06»4,4 дн/см и
s=74±4 дн/см.
Определение поверхностного натяжения при помощи рычага
Для производства работы по этому способу нам понадобится:
1) рычаг, весьма лёгкий и подвижный; 2) гирька в 1 г или заменяющий её грузик, сделанный из жести или проволоки такого же веса; 3) скобочка; 4) стакан; 5) штатив для подвеса рычага [5].
Скобочку мы делаем из звонковой проволоки так, чтобы воздушное расстояние между точками А и F или, что то же самое, между точка В и Е было равно 5 см, а величины АВ и ЕF были около 55 мм. к петле D мы привяжем нитяную петлю, которую будем надевать на рычаг (рис. 18, а).
Работу производим следующим образом. Уравновешиваем на рычаге скобочку и гирьку в 1г, привязанную тоже на нити, и отмечаем в тетради соответствующие плечи с и а (рис. 18, б). Затем погружаем скобочку в стакан с водой, причём подвешиваем рычаг так, чтобы в равновесии он вытягивал скобочку на высоту 3-4 мм из воды и образовал бы водяную плёнку. В этом случае при том же самом плече с для равновесия рычага понадобится большая сила, т.е. придётся переместить гирьку в 1 г далее на новое плечо b (рис. 18, б).
Допустим, что все скобочки равен Р и поверхностное натяжение жидкости s. Будем помнить, что за линию ВСЕ будут тянуть вниз две жидкие плёнки, следовательно, их сила будет равна 2×5s=10s. Таким образом, мы можем написать два равенства моментов, полагая 1 г=1000 мг.
Равновесие на воздухе Рc=1000а (5)
с плёнкой (Р+10s)=1000b. (6)
Вычитая (2) из (1), мы получим:
10sс=(b-a)1000,
откуда
(в мг/см). (7)
Следует заметить, что употребление кольца вместо скобочки не улучшит, ухудшит точность вычислений, так как при вытягивании кольца из жидкости образуется не цилиндр, что было бы удобно для расчёта, а некоторая конусообразная поверхность. Последнее происходит по той причине, что поверхность плёнки имеет стремление сократиться. Скобка, побывавшая в одной жидкости, должна быть хорошо отмыта для употребления в другой, иначе она, растворив своё содержимое, исказит значение s у другой жидкости.
Несомненно, что вычисление можно проделать и с другими плечами a, b и с.
Определение поверхностного натяжения при помощи динамометра
Данную работу можно провести с динамометром типа весов Жоли или подобным им по чувствительности.
