ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ «ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ» для классов с профильным и углубленным изучением физики и химии, для дополнительных занятий по физике и химии

Я мало-Ненецкий автономный округ

Департамент образования Администрации города Ноябрьска

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа микрорайона Вынгапуровский»

муниципального образования города Ноябрьск

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

«ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТИ»

для классов с профильным и углубленным изучением физики и химии, для дополнительных занятий по физике и химии

Автор:

учитель физики Калугина Наталья Николаевна,

учитель физики и математики

МБОУ СОШ мкр. Вынгапуровский г. Ноябрьск

г. Ноябрьск, мкр. Вынгапуровский

2019 – 2020 учебный год

Содержание

1. Техника безопасности при работе с оборудованием…………………………………..3

2. Лабораторная работа № 1. Определение плотности образцов нефти………………..6

3. Лабораторная работа № 2. Определение кинематической вязкости непрозрачных жидкостей (нефти)………………………………………………………………………….……7

4. Лабораторная работа № 3. Определение температуры кипения нефти…………….10

5. Лабораторная работа № 4. Определение фракционного состава образцов нефти (методом перегонки)……………………………………………………………………………12

6. Лабораторная работа № 5. Определение показателя преломления вещества (нефти)…………………………………………………………………………………………..17

7. Лабораторная работа № 6. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости (нефти). 1 вариант работы………………………………………………………….19

8. Лабораторная работа № 7. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости (нефти). 2 вариант работы…………………………………………………...……..21

9. Формулы для вычисления абсолютных погрешностей………………………………22

10. Формулы для вычисления относительных погрешностей……………………….…..23

Лабораторный практикум для классов с профильным и углубленным изучением физики и химии, для дополнительных занятий по физике и химии

В книге представлены описания лабораторных работ практикума для учащихся 7-11 классов с учетом программ профильного обучения в физико-математических, физико-химических и химико-биологических классов; приведен перечень оборудования, обеспечивающего постановку предложенных работ.

Предисловие

В настоящем пособии предлагаются описания лабораторных работ физического практикума для 7-11 классов средней общеобразовательной школы. Содержание практикума ориентированно на учащихся профильных классов, в которых физика или химия являются одним из профилирующих предметов. Каждая из работ учитывает особенности региона – добычу нефти.

Все лабораторные работы представлены в единичном варианте, каждый из которых ориентирован на использование определенного учебного оборудования для физического практикума. Такие приборы школы могут получить только от шествующих научно-исследовательских учреждений или вузов, а так же от нефтяных организаций.

Техника безопасности

1. Общие требования охраны труда

1.1. К проведению лабораторных и практических работ по физике или химии допускаются учащиеся, прошедшие инструктаж по охране труда, медицинский осмотр и не имеющие противопоказаний по состоянию здоровья.

1.2. Учащиеся должны соблюдать правила поведения, расписание учебных занятий, установленные режимы труда и отдыха.

1.3. При проведении лабораторных и практических работ по физике или химии возможно воздействие на учащихся следующих опасных и вредных производственных факторов:

- термические ожоги при неаккуратном пользовании спиртовками, нагревательными элементами;

- порезы и уколы рук при небрежном обращении с лабораторной посудой.

1.4. Кабинет физики или химии должен быть укомплектован медаптечкой с набором необходимых медикаментов и перевязочных средств, соответствующих Правилам по технике безопасности при работе по физике или химии в общеобразовательных школах. В медицинской аптечке должна быть опись медикаментов и инструкция по оказанию первой помощи при травмах.

1.5. Учащиеся обязаны соблюдать правила пожарной безопасности, знать места расположения первичных средств пожаротушения. Кабинет физике или химии должен быть оснащен первичными средствами пожаротушения: огнетушителями химическим пенным и углекислотным, ящиком с песком.

1.6. О каждом несчастном случае пострадавший или очевидец несчастного случая обязан немедленно сообщить учителю (преподавателю), который сообщает администрации школы. При неисправности оборудования, приспособлений и инструмента прекратить работу и сообщить об этом учителю (преподавателю).

1.7. В процессе работы учащиеся должны соблюдать порядок проведения лабораторных и практических работ, правила личной гигиены, содержать в чистоте рабочее место.

1.8. Учащиеся, допустившие невыполнение или нарушение инструкции по охране труда, привлекаются к ответственности и со всеми учащимися проводится внеплановый инструктаж по охране труда.

2. Требования охраны труда перед началом работы

2.1. Внимательно изучить содержание и порядок выполнения работы, а также безопасные приемы ее выполнения.

2.2. Подготовить к работе рабочее место, убрать посторонние предметы.

2.3. Проверить исправность оборудования, инструмента, целостность лабораторной посуды.

3. Требования охраны труда во время работы

3.1. Точно выполнять все указания учителя (преподавателя) при проведении работы, без его разрешения не выполнять самостоятельно никаких работ.

3.2. При работе со спиртовкой или нагревательным элементом беречь одежду и волосы от воспламенения, не зажигать одну спиртовку от другой, не извлекать из горящей спиртовки горелку с фитилем, не задувать пламя спиртовки ртом, а гасить его, накрывая специальным колпачком

3.3. При нагревании жидкости в пробирке или колбе использовать специальные держатели (штативы), отверстие пробирки или горлышко колбы не направлять на себя и на своих товарищей, не наклоняться над сосудами и не заглядывать в них.

3.4. Соблюдать осторожность при обращении с лабораторной посудой и приборами из стекла, не бросать, не ронять и не ударять их.

3.5. При использовании растворов кислот и щелочей, наливать их только в посуду из стекла, не допускать попадания их на кожу, глаза и одежду.

3.6. Не пробовать исследуемые образцы на вкус.

4. Требования охраны труда в аварийных ситуациях

4.1. При разливе легковоспламеняющихся жидкостей или органических веществ немедленно погасить открытый огонь спиртовки и сообщить об этом учителю(преподавателю), не убирать самостоятельно разлитые вещества.

4.2. В случае, если разбилась лабораторная посуда или приборы из стекла, не собирать их осколки незащищенными руками, а использовать для этой цели щетку и совок.

4.3. При получении травмы сообщить об этом учителю (преподавателю), которому оказать первую помощь пострадавшему, сообщить об этом администрации школы, при необходимости отправить пострадавшего в ближайшее лечебное учреждение.

5. Требования охраны труда по окончании работы

5.1. Привести в порядок рабочее место, сдать учителю (преподавателю) оборудование, приборы, инструменты, препараты, химреактивы.

5.2. Отработанные вещества и образцы не сливать в канализацию, а поместить в закрывающийся стеклянный сосуд вместимостью не менее 3 л с крышкой для их последующего уничтожения.

5.3. Проветрить помещение кабинета и тщательно вымыть руки с мылом.

Лабораторная работа № 1

Определение плотности образцов нефти

Цель работы: определить плотность образцов нефти.

Приборы и материалы: весы учебные, набор грузов, мензурка, колба, образцы нефти с разных месторождений.

Теоретическая часть

При определении плотности жидкости, в данном случае – нефти, задача упрощается, так как жидкость обладает свойством принимать форму предоставленного ей сосуда.

Плотность образцов определяется по формуле:

, где: m - масса, определенная на лабораторных весах в кг; V - объем, определенный с помощью мерной колбы в м³.

Для получения точных результатов вычисляются погрешности по формулам:

и

Ход работы

1. C помощью весов измерьте массу пустой колбы.

2. С помощью мензурки отмерьте некоторый объем нефти.

3. Перелейте нефть в колбу. Взвесьте колбу вместе с нефтью. Зная массу пустой колбы, вычислите массу нефти (не забудьте вычислить погрешности вычислений).

4. По известному объёму и массе образца нефти определите его плотность.

5. Повторите эти действия для других образцов.

6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

7. Вычислите погрешности измерений и вычислений.

8.Сравните полученные результаты, запишите вывод.

Контрольные вопросы:

1).Сравните полученные значения плотностей. Как Вы думаете, от чего зависит плотность нефти?

2). Какие еще способы определения плотности нефти Вы можете предложить?

3). Почему при выполнении работы получились неодинаковые результаты плотности образцов?

Лабораторная работа № 2

Определение кинематической вязкости непрозрачных жидкостей (нефти)

Цель работы: ознакомится с методом работы с вискозиметром типа ВНЖ (Канон-Фенске-Опакв), а также определить кинематическую вязкость образцов нефти с разных месторождений.

Реактивы и материалы:

1) Растворитель, полностью смешивающийся с образцом (петролейный эфир бензин-растворитель для резиновой промышленности (нефрас C2-80/12G));

2) Осушающий растворитель, легкоиспаряемый и смешивающийся как с растворителем для образца, так и с водой. Перед применением следует отфильтровать (ацетон по ГОСТ 2603);

3) Вода дистиллированная;

4) Образцы нефти с разных месторождений;

5) Спирт этиловый технический по ГОСТ 17299, спирт этиловый синтетический, спирт этиловый ректификованный технический по ГОСТ 18300.

Оборудование:

вискозиметр типа ВНЖ (Канон-Фенске-Опакв), прозрачные резиновые трубки с кранами, калиброванный жидкостный стеклянный термометр, резиновая груша или водоструйный насос, 2 секундомера, держатель, дистиллированная вода (для наполнения бани), стержень для перемешивания, нагревательный элемент, контейнеры для работы с образцами, стеклянная колба, шкаф для нагрева.

Теоретическая часть

Сущность метода заключается в измерении калиброванным стеклянным вискозиметром времени истечения (в секундах) определенного объема испытуемой жидкости (нефти) под влиянием силы тяжести при постоянной температуре.

Кинематическая вязкость является произведением измеренного времени истечения на постоянную вискозиметра и представляет собой сопротивление жидкости течению под действием гравитации (при движении жидкости под действием силы тяжести).

Ход работы

Условия подготовки оборудования

Между последовательными определениями вискозиметр тщательно промывают несколько раз растворителем, затем промывают полностью испаряющимся растворителем. Сушат вискозиметр в течение 2 мин или до полного удаления следов растворителя.

Вискозиметр периодически промывают очищающим растворителем несколько часов, чтобы удалить остаточные следы органических отложений, затем тщательно ополаскивают водой, осушающим растворителем и сушат отфильтрованным сухим воздухом или под вакуумом.

Н ельзя применять щелочные очищающие растворы, так как могут возникнуть изменения в калибровке вискозиметра.

Допускается использовать специальные устройства для мытья вискозиметров.

Работа с прибором

1. Нагрейте образец в контейнере в течение 1 ч до температуры 60±2 °С.

2. Тщательно перемешайте образец соответствующим стержнем достаточной длины, чтобы он касался дна контейнера. Перемешивайте до тех пор, пока не будет осадка или прилипания парафина к стержню.

3. Плотно закройте контейнер и энергично встряхивайте в течение 1 мин до полного перемешивания.

Для образцов с высоким содержанием парафинов или высокой кинематической вязкостью необходимо увеличить температуру нагрева выше 60 °С для достижения тщательного перемешивания. Образец должен быть достаточно жидким, чтобы его было удобно перемешать и встряхнуть.

4. Налейте образец в стеклянную колбу вместимостью 100 см³ в количестве, достаточном для заполнения вискозиметра, и неплотно закупорьте.

5. Погрузите колбу на 30 мин в баню с кипящей водой.

6. Колбу достаньте из бани, плотно закупорьте и встряхивайте 1 мин.

7. Заполните вискозиметр и поместите в баню в соответствии с конструкцией аппарата.

Перед заполнением вискозиметры необходимо предварительно подогреть в шкафу, так как это дает гарантию, что образец не остынет ниже требуемой при испытаниях температуры.

7.1. На отводную трубку 3 наденьте резиновую трубку.

7.2. Зажав пальцем колено 2 и перевернув вискозиметр, опустите колено 1 в сосуд с нефтепродуктом и засасывайте его (с помощью резиновой груши) до метки М₄, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха.

7.3. В тот момент, когда уровень жидкости достигает метки М₄, вытащите вискозиметр из сосуда и быстро переверните его в нормальное положение.

7.4. Снимите с внешней стороны конца колена 1 избыток нефтепродукта и наденьте кусочек резиновой трубки длиной 8-15 см с присоединенным закрытым краном.

7.5. Затем откройте кран для заполнения жидкостью резервуара 6 и вновь его закройте, когда жидкость заполнит приблизительно половину резервуара 6.

7.6. Вискозиметр установите в термостат и после необходимой выдержки в нем (20 мин) откройте колено 1 и, пользуясь двумя секундомерами, измерьте время течения жидкости от метки M₁ до M₂ и от метки M₂ до M₃.

7.7. По измеренному времени заполнения резервуара 5 вычислите вязкость.

7.8. Измеренное время заполнения резервуара 4 служит для контроля. Значения вязкости, вычисленные по времени заполнения резервуаров 5 и 4, могут отличаться до 2 %, а при температуре ниже 15 °С - до 3 %.

8. Результаты измерений заносят в таблицу.

9. Из двух определений рассчитайте среднее арифметическое значение кинематической вязкости n, мм²/с по формуле:

, где:

К – постоянная вискозиметра в мм²/с² (в паспорте прибора);

Т – время истечения жидкости в секундах;

g – ускорение свободного падения в месте измерения в м/с²

Таблица результатов измерений и вычислений:

Вычисление погрешностей:

10. Вычислите погрешности измерений и вычислений.

11. Сформулируйте вывод на основе полученных результатов.

Контрольные вопросы:

1) Дайте определение кинематической вязкости?

2) От каких параметров зависит вязкость жидкости?

3)Как можно уменьшить погрешности измерений в работе?

Лабораторная работа № 3

Определение температуры кипения нефти

Цель работы: опытным путем определить температуру закипания каждого из образцов нефти.

Оборудование: термометр, барометр, колба, кожух для колбы, нагревательный элемент, асбестовая прокладка, холодильный элемент с водоотводными трубками, образцы нефти.

Ход работы

1 . Промойте колбу легким бензином и просушите воздухом.

2. Сухим, чистым цилиндром отмерьте 100 см испытуемого нефтепродукта и осторожно перелейте его в колбу так, чтобы жидкость не попала в отводную трубку колбы. Объем нефти и темных нефтепродуктов в цилиндре отсчитывают по верхнему мениску. При наливе в колбу нефтепродукт должен иметь температуру (20±3) °С.

3 . В горловину колбы с продуктом вставьте термометр на плотно пригнанной пробке так, чтобы ось термометра совпадала с осью шейки колбы, а верх ртутного шарика находился на уровне нижнего края отводной трубки в месте ее припая.

4. Колбы с жидким парафином и нефтью поставьте на прокладку с внутренним фасонным отверстием 40/50 мм.

5 . Отводную трубку колбы соедините с верхним концом трубки холодильника при помощи плотно пригнанной пробки так, чтобы отводная трубка входила в трубку холодильника на 25-40мм и не касалась стенок последней.

6. Затем ставят верхний кожух на огнестойкую асбестовую прокладку, закрывая колбу.

7. Ведите перегонку с подачей проточной воды в холодильник.

8. При перегонке нефти и темных нефтепродуктов под трубку холодильника поставьте чистый сухой цилиндр так, чтобы трубка холодильника входила в цилиндр не менее чем на 25 мм, но не ниже метки 100 см и не касалась его стенок. На время перегонки отверстие цилиндра закройте ватой или листом фильтровальной бумаги.

9. Запишите барометрическое давление и равномерно нагревайте колбу так, чтобы до падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в соответствующий цилиндр прошло 5-10 мин.

10. Отметьте температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в мерный цилиндр, запишите как температуру начала кипения в таблицу:

11. Сформулируйте вывод на основе полученных результатов.

Контрольные вопросы:

1)От чего зависит температура кипения нефти?

2)Какими способами можно понизить температуру кипения жидкости?

3)Для чего в данной работе используют асбестовую прокладку?

Лабораторная работа № 4

Определение фракционного состава образцов нефти (методом перегонки)

Цель работы: изучить способ фракционирования нефти с помощью перегонной установки и с ее помощью исследовать фракционный состав данных образцов.

Материалы и оборудование: лабораторная установка для перегонки, образцы нефти, термометр, барометр, ФУМ-лента, вата или фильтровальная бумага, асбестовая прокладка, растворитель.

Лабораторная установка

Л абораторная установка для перегонки нефти состоит из: колбы (2) закрытой кожухом (6), холодильного элемента (9), соединительных деталей, штатива (1), нагревательного элемента или горелки (8) с асбестовой прокладкой (7), водопроводных трубок (5), специализированного термометра (3) и мензурки для конденсата (10). Чтобы избежать потерь выпарившегося конденсата, детали в местах соединения уплотнены ФУМ-лентой (4).

1 – термометр,

2 – насадка Вюрца,

3– круглодонная колба,

4 – холодильник Либиха,

5 – алонж,

6 – приемник.

Ход работы

С ущность метода заключается в перегонке 100 см испытуемого и проведении постоянных наблюдений за показаниями термометра и объемами конденсата.

1. Для удаления жидкости, оставшейся от предыдущей перегонки, протрите трубку холодильника внутри мягкой тканью, прикрепленной к медной или алюминиевой проволоке.

2. Колбу промойте легким растворителем и просушите воздухом.

3 . Сухим, чистым цилиндром отмерьте 100 см испытуемого нефтепродукта и осторожно перелейте его в колбу так, чтобы жидкость не попала в отводную трубку колбы. Объем нефти и темных нефтепродуктов в цилиндре отсчитывают по верхнему мениску. При наливе в колбу нефтепродукт должен иметь температуру (20±3) °С.

4. В горловину колбы с продуктом вставьте термометр на плотно пригнанной пробке так, чтобы ось термометра совпадала с осью шейки колбы, а верх ртутного шарика находился на уровне нижнего края отводной трубки в месте ее припая.

5. Колбы с жидким парафином и нефтью поставьте на прокладку с внутренним фасонным отверстием 40/50 мм. 6. Отводную трубку колбы соедините с верхним концом трубки холодильника при помощи плотно пригнанной пробки так, чтобы отводная трубка входила в трубку холодильника на 25-40мм и не касалась стенок последней. 7. Затем поставьте верхний кожух на огнестойкую асбестовую прокладку, закрывая колбу.

8 . При перегонке нефти и темных нефтепродуктов под трубку холодильника по ставьте чистый сухой цилиндр так, чтобы трубка холодильника входила в цилиндр не менее чем на 25 мм, но не ниже метки 100 см и не касалась его стенок. На время перегонки отверстие цилиндра закройте ватой или листом фильтровальной бумаги.

9. Ведите перегонку с подачей проточной воды в холодильник.

10. Запишите барометрическое давление и равномерно нагревайте колбу так, чтобы до падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в соответствующий цилиндр прошло 5-10 мин.

11. Отметьте температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в мерный цилиндр, запишите как температуру начала перегонки (начала кипения).

12. Затем мерный цилиндр установите так, чтобы конденсат стекал по стенке цилиндра. Далее перегонку ведут с равномерной скоростью 2-5 см в 1 мин, что соответствует примерно 20-25 каплям за 10 с (количество капель за 10с, соответствующее скорости перегонки 2-5 см в 1 мин, уточняется для каждой трубки холодильника отдельно). Для проверки скорости перегонки по количеству капель цилиндр отставте на короткий промежуток времени от конца трубки холодильника.

Начальную перегонку темных нефтепродуктов ведут так, чтобы скорость отгона первых 8- 10 см была 2-3 см в 1 мин. Далее перегонку ведут со скоростью 4-5 см в 1 мин.

При перегонке нефти скорость отгона вначале должна быть 2-5 см в минуту, а затем 2-2,5 см в 1 мин (одна капля в 1 с).

13. В процессе перегонки производите записи, включающие показания термометра при указанном проценте отгона или процент отгона при заданном показании термометра.

14. Показания термометра запишите с учетом поправок на погрешность термометра, указанных в приложенном к нему свидетельстве, и на барометрическое давление.

Поправка на барометрическое давление:

Поправки прибавляют при барометрическом давлении ниже 100,0·10 Па (750 мм рт. ст.) и вычитают при барометрическом давлении выше 102,4·10 Па (770 мм рт. ст.). В пределах барометрического давления от 100,0·10 Па (750 мм рт. ст.) до 102,4·10 Па (770 мм рт. ст.) поправки не вносят (при наблюдении заданной температуры поправки вносят заранее с обратным знаком).

Поправка (°С) на 1,33·10 Па (10 мм рт. ст.) разности между 101,3·10 Па (760 мм рт. ст.) и фактическим давлением Па (мм рт. ст.):

3 °С - для температуры 50%-ного отгона;

7 °С - для температуры 90%-ного отгона;

10 °С - для температуры 96-98%-ного отгона и температуры конца кипения.

15. По мере поступления конденсата через конденсаторную трубку в цилиндр отметьте его объем с интервалом в 2 мин до тех пор, пока два последовательных измерения не дадут одинаковых результатов.

Тщательно измерьте этот объем, записывая его значение с точностью до 0,5 см как процент отгона (выхода).

16. Колбу нагревайте до тех пор, пока ртутный столбик термометра не остановится на некоторой высоте, а после этого начнет спускаться. Максимальную температуру, показываемую при этом термометром, запишите как температуру конца кипения. При появлении белых паров анализ считается недействительным. Для таких продуктов за температуру конца кипения принимают температуру, при которой произошла остановка ртутного столбика термометра и еще не появились белые пары.

17. После этого прекратите нагрев колбы, дайте стечь конденсату в течение 5 мин и запишите объем жидкости в цилиндре.

18. Ведите перегонку нефти до 300 °С. При этом отмечайте температуру начала кипения и объемы конденсатов при 100, 120, 150, 160 °С и далее через каждые 20 °С до 300 °С.

19. Все отсчеты при перегонке ведите с погрешностью не более 0,5 см и 1 °С.

20. После прекращения нагрева охладите колбу в течение 5 мин, снимите термометр, отсоедините колбу от трубки холодильника и осторожно вылейте горячий остаток из колбы в измерительный цилиндр. Цилиндр с остатком охладите до (20±3)°С и запишите объем остатка с погрешностью не более 0,1см .

21. При перегонке неизвестного по фракционному составу нефтепродукта запишите температуру начала перегонки (начала кипения) и температуру, соответствующую отгонам 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90 и 97%.

22. Результаты занесите в таблицу:

23. Если данные должны быть основаны на показаниях термометра, скорректированного по барометрическому давлению 101,3·10 Па (1013 мбар) (760 мм рт. ст.), примените поправку С на барометрическое давление к каждому показанию термометра по формуле:

, где - барометрическое давление, преобладающее во время испытания, П; - наблюдаемые показания термометра, °С.

24. Сформулируйте вывод на основе полученных результатов.

Контрольные вопросы:

1) Опишите метод определение фракционного состава образцов нефти.

2) Сравните результаты исследования разных образцов нефти. В чем причина расхождения результатов?

3) Предложите способы уменьшения погрешностей результатов (потерь).

Лабораторная работа № 5

Определение показателя преломления вещества (нефти)

Цель работы: опытным путем определить показатель преломления каждого из образцов нефти.

Оборудование и материалы: источник электропитания, лазер с магнитными держателями, планшет, штатив, масштабно-координатная бумага, линейка, магниты, прямоугольная кювета с прозрачными стенками на магнитах, соединительные провода, образцы нефти.

Теоретическая часть

Закон преломления был установлен экспериментально в 1621 году голландским ученым Снеллиусом (1580–1626) и опубликован после его смерти. Согласно закону преломления Снеллиуса, падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения, причем отношение синуса угла падения  α  к синусу угла преломления β есть величина постоянная для данных сред:

,

где - показатель преломления первой среды; - показатель преломления второй среды; – угол падения луча; – угол преломления; AB – прямая, длинна которой равна проекции точки пересечения падающего луча и окружности, CD – прямая, длинна которой равна проекции точки пересечения преломленного луча и окружности.

Ход работы

1. Закрепите планшет на штатив.

2. Магнитами на планшете закрепите масштабно-координатную бумагу, а на ней прямоугольную кювету с образцом нефти.

3. Закрепите лазерный прибор около кюветы так, чтобы при его включении луч лазера падал на поверхность образца.

4. Включите прибор и отметьте на координатной бумаге линию уровня жидкости, нижний контур кюветы, след лазера до пересечения с образцом и преломленный след лазера.

5. Выключите прибор и, сняв с доски кювету и лазер, найдите точку пересечения двух следов.

6. Начертите окружность, считая найденную точку ее центром, и проведите оси через центр окружности, одна из которых будет совпадать с линией уровня жидкости в кювете.

7. Продлите прямые следов до пересечения с окружностью, как показано на фото.

8. Определите с помощью линейки длину отрезков AB и CD и найдите коэффициент преломления по формуле:

1. Полученные данные занесите в таблицу:

10. Высчитайте погрешности измерений и вычислений.

11.Сделайте вывод на основе полученных результатов.

Контрольные вопросы:

1) Какие характеристики световой волны меняются при переходе из одной оптической среды в другую?

2) Чему равна скорость света в данных образцах нефти?

3) Чему равны предельные углы полного внутреннего отражения для данных образцов нефти?

Лабораторная работа №6

«Определение поверхностного натяжения жидкости (нефти)»

1 вариант

Оборудование: динамометр типа ДПН, штатив, образцы нефти, линейка измерительная.

Задание:

Определите поверхностное натяжение нефти с помощью динамометра типа ДПН.

Метод выполнения работы:

На молекулы, находящихся в поверхностном слое жидкости, действуют силы притяжения других молекул, направленные внутрь жидкости. Для выхода молекулы из внутренних слоев в поверхностный слой необходимо совершение работы против действия молекулярных сил притяжения. В результате молекулы в поверхностном слое жидкости обладают избытком энергии. Эта энергия называется свободной поверхностной энергией жидкости.

Поверхностная энергия в состоянии равновесия жидкости стремится к минимуму, а свободная поверхность жидкости стремится к сокращению. При образовании тонкой пленки жидкости шириной l (рис.1) вдоль границы поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения F, равная по модулю F = σ2l, (1)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения. Множитель 2 стоит по той причине, что пленка имеет две поверхности.

Отсюда

Силу поверхностного натяжения F измеряют чувствительным динамометром типа ДПН, а ширину пленки (равную ширине проволочной петли) – измерительной линейкой.

Динамометр типа ДПН (рис. 2) состоит из корпуса 3, внутри которого размещена измерительная пружина 5, имеющая прямой конец с открытым зацепом 7. Зацеп предназначен для соединения петли 8 с измерительной пружиной динамометра. Для отсчета показаний по шкале на измерительной пружине закреплена стрелка 6. Исследуемую жидкость наливают в стеклянную чашку 9. Для измерения коэффициента поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погружают в жидкость, а затем медленно вытягивают из жидкости. При этом на петле образуется пленка. Когда сила упругости пружины динамометра станет равной силе поверхностного натяжения F, пленка разрывается.

Порядок выполнения работы.

1. Изучите устройство динамометра ДПН.

2. Подготовьте прибор к выполнению измерений. Для этого наденьте на открытый зацеп 7 петлю 8 (см. рис. 2). Придерживая установочный винт 1, отверните стопорный винт 2. Вращая стакан 4 и и нажимая на головку винта 1, установите стрелку динамометра на нулевое деление шкалы. Завинтите стопорный винт.

3. Налейте в чашку 9 нефть и установите её на подставку 10. Вращая винт держателя 11, поднимите чашку с жидкость до такого уровня, чтобы петля полностью погрузилась в нефть.

4. Медленно опускайте чашку с нефтью. Для этого выворачивайте винт держателя 11 до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянущаяся за петлей. Заметьте по шкале динамометра, при каком значении силы происходит разрыв пленки.

5. Вычислите поверхностное натяжение.

6. Повторите измерение 3 раза. Вычислите среднее значение поверхностного натяжения.

7. Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

Отчетная таблица

1. После выполнения измерений промойте петлю, прямой конец пружины и чашку из-под нефти. С поверхности петель и прямого конца измерительной пружины удалите оставшуюся жидкость чистой тряпочкой или чистой промокательной бумагой.

Дополнительное задание

Исследуйте влияние на поверхностное натяжение нефти растворенных в ней веществ, например, мыла, поваренной соли или стирального порошка.

Контрольные вопросы

1. Что такое поверхностное натяжение жидкости, в чем оно проявляется?

2. Почему одни тела смачиваются данными жидкостями, а другие не смачиваются?

3. Как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Почему опыт проводился не с прямолинейным отрезком проволоки, а с петлей, имеющей П-образную форму?

Лабораторная работа №7

«Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости (нефти)»

2 вариант

Цель работы: экспериментально определить коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капель.

Оборудование: весы учебные, разновес (можно измерительный цилиндр), пипетка, штангенциркуль, стакан с нефтью, стакан химический.

Описание работы

Отрыв капель нефти от пипетки происходит при выполнении равенства сил тяжести и поверхностного натяжения: mg = σπd, где m – масса капли, g – ускорение свободного падения, σ – коэффициент поверхностного натяжения нефти, π=3,14, d – внутренний диаметр пипетки. Отсюда . Для повышения точности измеряют массу М нескольких капель: M = m*n, где n – число капель. Тогда расчетная формула принимает вид

Ход работы

1. С помощью штангенциркуля измерьте внутренний диаметр пипетки d.

2. Накапайте в пустой стакан 100-200 капель нефти и с помощью весов (или измерительного цилиндра) определите массу нефти М.

3. По приведенной в описании работы формуле вычислите σ.

4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

   d, м	n	М, кг	, Н/м

5. Запишите вывод. Опишите, что вы измеряли и какой получили результат.

Контрольные вопросы

1. Что такое поверхностное натяжение жидкости, в чем оно проявляется?

2. Почему одни тела смачиваются данными жидкостями, а другие не смачиваются?

Как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Формулы для вычисления абсолютных погрешностей:

Формулы для вычисления относительных погрешностей: