Определение коэффициента поверхностного натяжения

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ

«КАЛУЖСКИЙ БАЗОВЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ № 6

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ФИЗИКА»

Определение коэффициента поверхностного натяжения

Специальность: «Сестринское дело»

Курс: I

Преподаватель: Антонов А. В.

г. Калуга, 2018 г.

Тема предыдущего занятия–лабораторной работы: «Определение экваториальных координат звезд с помощью подвижной карты звездного неба».

Тема следующего занятия–лабораторной работы: «Измерение относительной влажности воздуха».

Тип занятия: совершенствования знаний, умений и навыков.

Вид занятия: лабораторная работа.

Цели занятия

Образовательные цели: формирование умения находить массу тела с помощью рычажных весов; формирование умения пользоваться методической литературой; систематизация знаний студентов; проверка усвоения студентами данной темы; формирование умения делать выводы по результатам работы.

Цели развития: развитие умений использовать теоретические знания при выполнении лабораторной работы; пользоваться математическим аппаратом при выполнении расчетной части лабораторной работы; создание условий для дальнейшего формирования критичности мышления.

Воспитательные цели: развитие аккуратности, внимательности, дисциплинированности; формирование навыков работы в группе, взаимопомощи; формирование научного мировоззрения, демонстрация связи физики с действительностью.

Внутрипредметные связи: механика, молекулярная физика.

Межпредметные связи: математика, химия.

Оборудование: методические рекомендации по выполнению работы, лоток, флакон с водой, закрытый крышкой-ка­пельницей, стакан, весы с разновесами, тетрадь для лабораторных работ, карандаш, линейка, ластик, доска, мел, тряпка, лекции.

Формируемые общие компетенции

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 5. Использование информационно-коммуникационных технологий в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.

ОК 9. Ориентироваться в условиях изменения технологии в профессиональной деятельности.

ОК 12. Организовать рабочее место в соответствии с требованиям охраны труда, производственной санитарии, инфекционной и противопожарной безопасности.

Структура занятия

I. Актуализация знаний.

1. Мобилизующее начало занятия. (1 мин.).

2. Сообщение плана работы на семестр. Сообщение темы, плана занятия и целей лабораторной работы. (2 мин.).

3. Инструктаж по технике безопасности (за второй семестр). (6 мин.).

4. Актуализация знаний с целью, повторения основных понятий, необходимых для выполнения лабораторной работы. (7 мин.).

II. Формирование умений и навыков.

1. Изучение студентами практической части лабораторной работы. (15 мин.).

2. Разбор основных моментов выполнения лабораторной работы. (7 мин.).

3. Выполнение лабораторной работы студентами. (33 мин.).

4. Формулировка вывода о результатах проделанной работы. (5 мин.)

III. Подведение итогов занятия. (3 мин.).

IV. Домашнее задание. (1мин.).

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Актуализация знаний.

1. Мобилизующее начало занятия.

Преподаватель: Здравствуйте. Садитесь. Смотр внешнего вида и отметка отсутствующих.

1. Сообщение темы, целей и плана занятия.

Преподаватель: Здравствуйте. Садитесь. (Сообщение плана работы на семестр). На сегодняшней лабораторной работе вы вспомните, как взвешивать тела, познакомитесь с одним из способов определения коэффициента поверхностного натяжения. А затем найдете среднее значение и в конце лабораторной работы сделаете вывод о полученных вами результатах

Цель работы: отработать один из приемов определения коэф­фициента поверхностного натяжения воды.

3. Инструктаж по технике безопасности (за второй семестр).

В начале, проведем инструктаж о технике безопасности при выполнении лабораторных работ во втором семестре.

При выполнении лабораторной работы Вы должны соблюдать технику безопасности:

– будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания преподавателя;

– перед выполнением лабораторной работы нужно внима­тельно изучить ее содержание и ход выполнения;

– брать оборудование можно только с разрешения преподавателя;

– запрещается брать оборудование с соседних столов без разрешения преподавателя;

– быть аккуратными и осторожными при работе со стеклянным оборудованием;

– электроприборы включать в сеть напряжением 42В;

– включать в сеть можно только после проверки собранной цепи преподавателем;

– не следует громко разговаривать при выполнении работы;

– после выполнения лабораторной работы необходимо оборудование сдать преподавателю;

– студент несёт ответственность за сохранность используемого им оборудования;

– нельзя уходить с рабочего места без разрешения преподавателя;

– размещайте приборы, материалы, оборудование на своем рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание;

– обо всех неисправностях приборов следует немедленно сообщать преподавателю.

Вопросы по технике безопасности есть?

Студенты расписываются в журнале по технике безопасности за второй семестр.

4. Актуализация знаний с целью, повторение основных понятий, необходимых для выполнения лабораторной работы.

Преподаватель: Повторим основные понятия и формулы, которые Вам потребуются при выполнении данной лабораторной работы.

Как уравновешивают весы?

Студент: С помощью бумажек.

Преподаватель: На какую чашку весов кладут гири, а на какую взвешиваемое тело?

Студент: Взвешиваемое тело кла­дут на левую чашку весов, а гири – на правую.

Преподаватель: С помощью чего (как) гири и разновесы переносят на весы?

Студент: С помощью пинцета.

Преподаватель: Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения.

Студент: Это отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости.

Преподаватель: В чем измеряется?

Студент: В Н/м.

Преподаватель: А от чего он зависит?

Студент: От температуры жидкости, наличия примесей и химической природе жидкостей.

Преподаватель: Как коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры?

Студент: С повышением температуры увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости, молекулярные силы уменьшаются и поэтому при повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкостей умень­шается.

Преподаватель: Хорошо. Молодцы. Делитесь по группам, в группе 4 человека.

1. Формирование умений и навыков.

1. Изучение студентами практической части лабораторной работы.

Преподаватель: (Раздает методическое пособие.).

Ваша задача ознакомиться с практической частью (ходом работы). В тетрадках для лабораторных работ подпишите сегодняшнее число, номер лабораторной работы, цели работы и оборудование. Затем перечертите себе в тетрадь таблицу 2 только для трех опытов и перепишите расчётные формулы из практической части (не забудьте модернизировать формулу (3). На это Вам даётся 15 минут.

1. Разбор основных моментов выполнения лабораторной работы.

Преподаватель: У кого какие вопросы по выполнению данной работы? Кому что непонятно? Кто-то из студентов рассказывает поэтапно, как они будут выполнять лабораторную работу.

3. Выполнение лабораторной работы студентами.

Смотрит за ходом выполнения работы студентами в группах (33 мин.). Проверяет собранные студентами цепи, дает советы, исправляет неточности. Отвечает на вопросы обучающихся. Помогает отстающим. Проверяет правильность снятых измерений и вычислений.

4. Формулировка вывода о результатах проделанной работы.

Преподаватель: Сделайте вывод о проделанной работе. Сравните полученное Вами значение с табличным результатом для воды, приведенном в таблице № 1. У кого получились значения в пределах , Вы подтвердили табличное значение коэффициента поверхностного натяжения для воды. А остальные подумайте и запишите, почему у Вас такие большие расхождения, с чем это связано? Советую вспомнить, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения.

Перепишите себе вопросы для защиты сегодняшней лабораторной работы. (Оценка за лабораторную работу ставится после её защиты).

III. Итог занятия.

Преподаватель: Подведём итог занятия. Что Вы сегодня научились делать на лабораторной работе?

Студент: Научились определять коэффициент поверхностного натяжения.

Преподаватель: Правильно. А каким методом?

Студент: Методом отрыва капель.

Преподаватель: Хорошо. А что мы сегодня повторили?

Студент: Правила и приемы взвешивания.

Преподаватель: Молодцы.

IV. Домашнее задание.

Преподаватель: Домашнее задание — подготовить защиту данной лабораторной работы.

Сдайте свои тетради с лабораторной работой и методические пособия.

(После проверки защиты лабораторной работы студентам выставляются оценки).

Всем спасибо за работу на уроке. До свидания.

Литература

1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся.—3-е изд.—М.: Просвещение, 1991.—с.: 83-84.

2. Касьянов В. А. Физика: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 6-е изд., стереотип. –М.: Дрофа, 2004. – с.: 299-303.

3. Мякишев Г. Я.. Физика: Учебн. для 11 кл. общеобразоват. учреждений/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев.—23-е изд.—М.: Просвещение,2014. — 400 с..

4. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическое общество «СЛОВО», ООО «Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при ф-те журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998. — с.: 15-20, 180-183.

5. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд., стер.—М.: Издательский центр «Академия», 2012-с.: 107, 141-142.

6. Трофимова Т. И. Курс физики. учебное пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – Изд. 10-е, стер. – М,: Издательский центр «Академия», 2005 – с.: 390-417.

7. Физика. Е. А. Безденежных, А. Ф. Шевченко. – М.: «Медицина», 1978 – с.: 93-99.

Приложение

Лабораторная работа

Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Цель работы: отработать один из приемов определения коэф­фициента поверхностного натяжения воды.

Оборудование: лоток, флакон с водой, закрытый крышкой-ка­пельницей, стакан, весы с разновесами.

Теоретическая часть.

Общая характеристика жидкого состояния. В жидкости моле­кулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газе, поэтому молекулярные силы играют очень важную роль в поведении жид­кости. Молекулярные силы – силы, возникающие при взаимодействии молекул. Проявляются и как силы притяжения и как силы отталкивания. Именно наличием сил притяжения объясняется тот факт, что твердые тела не рассыпаются на отдельные молекулы. Более того, чтобы отделить одну часть твердого тела от другой, в ряде случаев требуется большая сила. Однако если бы между молекулами действовали только силы притяжения, то не было бы межмолекулярных промежутков и диффузия оказалась бы невозможной.

Пусть в открытом сосуде имеется некоторое количество жидко­сти. Рассмотрим действие молекулярных сил внутри жидкости и в ее поверхностном слое (рис. 1). На молекулу, находящуюся внутри жидкости, молекулярные силы действуют по всевозможным направлениям и компенсируют друг друга. Их равнодействующая равна нулю. На молекулу, находящуюся в поверхностном слое, молекулярные силы действуют не по всем направлениям. В этом случае равнодействующая молекулярных сил не равна нулю; она направлена внутрь жидкости. В результате жидкость стремится, как бы сжаться, т. е. принять форму, соответствующую наименьшей площади её поверхности при данном объеме. Такой формой является форма шара.

Рис. 1

Шарообразную форму жидкость может сохранять лишь в условиях невесомости, например в кабине космического корабля, совершающего орбитальный полет. В таких условиях жидкость из сосуда не вытекает. Если же ее вытряхнуть оттуда, она повиснет в воздух в виде шариков правильной формы.

В земных условиях весомости жидкость растекается по поверх­ности твердых тел. Только в малых количествах она способна сохра­нять овальную форму, близкую к шарообразной (например, в виде капелек росы).

Поверхностное натяжение. Молекулярные силы, действующие вдоль поверхностного слоя жидкости, создают ее поверхностное на­тяжение. В наличии поверхностного натяжения жидкости можно убедиться на простом опыте. Проволочное колечко опускают в мыль­ную воду. Если вынуть колечко из этого раствора, то оно окажется затянутым мыльной пленкой. На мыльную пленку аккуратно кла­дут связанную концами нитку (рис. 2, а). Проколов пленку внутри контура нитки, можно видеть, что нитка натянулась и приняла фор­му окружности (рис. 2, б). Сила, растягивающая нитку, является силой поверхностного натяжения.

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости называ­ют поверхностным натяжением (коэффициентом, поверхностного натяжения) данной жидкости:

. (1)

Рис. 2.

Установим единицу коэффициента поверхностного на­тяжения, жидкости в СИ: .

Коэффициенты поверхностного натяжения ряда жид­костей приведены в таблице 1.

Опыт показывает, что коэффициент поверхностного натяжения у разных жидкостей различен. Коэффициенты поверхностного натяжения зависят от природы жидкостей и температуры, а также от наличия примесей. Поскольку плотность упаковки частиц у раз­личных жидкостей неодинакова, возникают определенные различия и в величине молекулярных сил, чем и объяс­няется – зависимость коэффициента поверхностного натя­жения от природы жидкости.

Таблица 1.

Коэффициенты поверхностного натяжения жид­костей (при )

С повышением температуры увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости, молекулярные силы уменьшаются и поэтому при повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкостей умень­шается. Это можно наблюдать на следующем опыте. На­сыпав на поверхность воды порошка ликоподия, слегка коснемся ее поверхности металлическим стержнем той же температуры, что и сама вода. Частички ликоподия остаются неподвижными. Коснемся теперь поверхности воды накаленным стержнем. Частички ликоподия разбе­гаются от центра сосуда к его краям, где температура воды ниже и силы поверхностного натяжения больше.

Примеси, как правило, уменьшают коэффициент по­верхностного натяжения. Если в предыдущем опыте на поверхность воды, посыпанной порошком ликоподия, вве­сти каплю эфира, частички ликоподия быстро переместятся к краям сосуда. Значит силы поверхностного натяжения вблизи капли меньше, чем у стенок сосуда. Вещества, снижающие поверхностное натяжение жидкости, назы­ваются поверхностно-активными (по отношению данной жидкости). Для воды поверхностно-активными веществами являются эфир, спирт, нефть и особенно мыло, чем и объ­ясняются его хорошие моющие свойства.

Практическая часть.

1. Правила взвешивания.

Рассмотрите набор гирь и определите его состав, количество гирь, масса которых указана в граммах, количество миллиграммовых разновесов, порядок размещения гирь и пинцета в укладке.

Гири и разновесы переносят на весы пинцетом, который удерживают в руке загнутыми концами вверх.

Весы подвешивают к штативу и уравновешивают. Для экономии мел­ких гирь равновесия добиваются кусочками бумаги. Весы считают­ся уравновешенными, если их указатель занимает строго верти­кальное положение (рис. 3). Взвешиваемое тело кла­дут на левую чашку весов, а гири — на правую. Рис. 3.

Взвешивание начинают, используя гири большой массы. Вна­чале на весы кладут гирю наибольшей массы, при которой тело еще перевешивает. Затем добавляют более мелкую, но такую, при ко­торой тело еще перевешивает. Поочередно добавляют более мелкие гири до тех пор, пока весы не уравновесятся. Массу тела опреде­ляют по сумме масс всех гирь, которые пошли на то, чтобы его уравновесить.

2. Определение коэффициента поверхностного натяже­ния.

Существует несколько методов определения коэффи­циента поверхностного натяжения. Воспользуемся один из них – методом отрыва капель.

Общий вид экспериментальной установки для выполнения лабораторной работы показан на рисунке 4.

В работе используют фла­кон с пробкой-капельницей, диаметр отверстия которой со­ставляет 1,2 мм.

Определение массы одной капли проводят так. С помощью весов опреде­ляют массу стакана. (Все данные заносят в таблицу 2). Затем из капельницы в стакан капают 60 — 70 капель. Рис. 4.

Капли считают. Определяют массу стакана с водой. По разнице масс находят массу воды в стакане: . Разделив ее на число капель, находят массу од­ной капли: .

На каплю действуют две силы: сила тяжести капли и сила поверхностного натяжения , Приближенно можно считать, что капля отрывается вдоль линии, которую образует окружность от­верстия капельницы.

Таблица 2.

В таблице: – масса стакана с водой, – масса стакана, М – общая масса капель; N – число капель в ста­кане; m – масса одной капли, d – диаметр отверстия капельницы, – коэффициент поверхностного натяжения воды, – среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды.

Поверхностное натяжение удерживает каплю жидкости до тех пор, пока . В момент отрыва капли . Длина окружности от­верстия капельницы, которая ограничивает свобод­ную поверхность капли, , где r и d – соответственно радиус и диаметр от­верстия капельницы ().

Тогда коэффициент поверхностного натяжения . Т. е.

. (2)

Определив вес капли Р и измерив диаметр бюретки d, можно приближенно определить величину коэффициента поверхностного натяжения.

Аналогичным способом в медицине определяют коэф­фициент поверхностного натяжения желчи и спинномозго­вой жидкости. При возникновении в организме патологи­ческих очагов коэффициент поверхностного натяжения этих жидкостей изменяется, что используется для установ­ления диагноза ряда заболеваний.

Данные измерений и рас­четов заносят в таблицу 2.

Для исключения случайных ошибок опыт проводят несколько раз и находят среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды по формуле:

. (3)

В выводе сравните полученное Вами значение коэффициента поверхностного натяжения воды с табличным значением (см. таб. 1). Если получились расхождения, то объясните причины.

Вопросы для защиты лабораторной работы.

1. С помощью чего (как) гири и разновесы переносят на весы?

2. Как можно уравновесить весы?

3. На какую чашку весов кладут гири, а на какую взвешиваемое тело?

4. Какие силы называют молекулярными и как они проявляются?

5. Почему жидкость стремится принять форму шара?

6. Какую величину называют коэффициентом поверхностного натяжения? Обозначение. Единица измерения.

7. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

8. Как найти среднее значение коэффициента поверхностного натяжения воды?

Литература

1. Кабардин О. Ф.. Справ. материалы: Учеб. пособие для учащихся. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 1991. – с.: 83-84.

2. Касьянов В. А. Физика: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 6-е изд., стереотип. –М.: Дрофа, 2004. – с.: 299-303.

3. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. проф. образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 – с.: 107, 141-142.

4. Физика. Е. А. Безденежных, А. Ф. Шевченко. – М.: «Медицина», 1978 – с.: 93-99.

15