Фізика і астрономія

гр. Т 21, Ф21, ВШ21 - 25.03.2021 -  Непрерервний і лінійчатий спектр речовини 

1. Лінійчаті спектри випромінювання газів.

Численні дослідження довели, що внаслідок нагрівання до високої температури пари будь-якої хімічної речовини випромінюють світло, вузький пучок якого призма розкладає на кілька пучків.

Лінійчаті спектри — оптичні спектри випромінювання й поглинання, що складаються з окремих спектральних ліній.

Лінійчатий спектр випромінювання будь-якого конкретного хімічного елемента не збігається зі спектром випромінювання інших хімічних елементів і, відповідно, є «візитівкою» елемента.

Відбувається й зворотне явище: у випадку пропускання білого світла через речовину у газоподібному стані спостерігається виникнення темних ліній на тлі суцільного спектру. Темні лінії розташовані точно в тих місцях, де спостерігають лінії спектра випромінювання цього хімічного елемента. Такий спектр називається лінійчатим спектром поглинання.

Виходячи з постулатів Бора, можна пояснити процес поглинання і випромінювання енергії атомами. Якщо атом поглинає енергію, то при цьому він переходить у збуджений стан. Його електрон може підніматися на вищу орбіту. Якщо існують вакансії для електрона ближче до ядра, то з часом електрон посідає їх, переходячи на більш низький енергетичний рівень. Енергія, яка при цьому вивільняється, випромінюється атомом у вигляді кванта світла.

Якщо світло випромінюють розріджені гази, то атоми газу знаходяться так далеко один від одного, що не чинять ніякого впливу на випромінювання сусідніх атомів, і у спектрі такого джерела будуть спостерігатись лише певні лінії. Так виникають лінійчаті спектри.

2. Молекулярні спектри випромінювання (смугасті спектри)

Молекулярний спектр складається з великої кількості окремих ліній, що зливаються в смуги, чіткі з одного краю й розмиті з іншого. На відміну від лінійчатих спектрів, смугасті спектри створюють не атоми, а молекули, не зв’язані або слабко зв’язані одна з одною. Серії дуже близьких ліній групуються на окремих ділянках спектру й заповнюють цілі смуги.

3. Суцільний спектр.

Якщо світло випромінюють тверді тіла, рідини чи дуже сильно стиснені гази, то на випромінювання кожного з атомів суттєво впливають сусідні атоми. Унаслідок цього можна спостерігати розмивання ліній в спектрі випромінювання і плавний перехід від одного кольору до іншого. Так виглядає суцільний спектр.

4. Спектральний аналіз.

Лінійчатий спектр кожного хімічного елемента є індивідуальним. Цю властивість використовують для спектрального аналізу сполук, оскільки кожний атом цього елемента в його складі випромінює свої лінії, які не зливаються з лініями інших елементів. Цю речовину обов'язково потрібно перевести в газоподібний стан і дуже нагріти, щоб вона світилась. Прилади, які використовують для спектрального аналізу, називають спектрографами.

Спектральний аналіз має низку переваг і є одним із найбільш чутливих методів дослідження речовин:

· сама речовина не потрібна, потрібне лише випромінювання від неї;

· проведення досліду потребує дуже мало часу;

· для досліду потрібна дуже мала маса речовини.

Уважно переглянути відео: https://www.youtube.com/watch?v=EXfS-y98gpo

https://www.youtube.com/watch?v=rg8lBxw45MU.

гр. Т 21, Ф21, ВШ21 - 24.03.2021 - Ядерні реакції. Дозиметри. Дози випромінювання.

Природна радіоактивність. Ядра важких елементів мають велику кількість нуклонів, ядерні сили не забезпечують їх стійкості. Такі ядра можуть самовільно розпадатися, перетворюючись у ядра більш стійких елементів. Це явище називають природною радіоактивністю. Види радіоактивного випромінювання. Перетворення ядер завжди супроводжується випромінюванням. Склад цього випромінювання визначили, діючи на нього сильним магнітним полем. Розрізняють три види радіоактивного випромінювання: • α-промені — це потік позитивно заряджених частинок, ядер гелію • β-промені — потік заряджених частинок з малою масою (електронів та протонів); • γ-випромінювання — електромагнітне випромінювання, потік фотонів з високою частотою та великою енергією. мал. 1 Види випромінювання Радіоактивний розпад ядра — це випадковий процес, зумовлений лише внутрішньою будовою ядра. На швидкість розпаду не можна вплинути ні зміною температури чи тиску в речовині, ні дією електромагнітного поля. Неможливо наперед зазначити момент розпаду певного ядра. Однак для великої кількості однакових ядер можна визначити ймовірність їх розпаду. Значення ймовірності залежить лише від природи ядра. Тривалість життя ядра. Період напіврозпаду виражає закон радіоактивного розпаду, згідно з яким кількість ядер, які ще не розпалися, зменшується за експоненціальним законом. Інтенсивність розпаду характеризується періодом напіврозпаду ядра. Період напіврозпаду — це час, протягом якого розпадається в середньому половини ядер. Періоди напіврозпаду для природних радіоактивних елементів коливаються в межах від часток секунди до багатьох мільярдів років. Таким чином, тривалість життя ядра обернена до сталої розпаду. Досліджуючи ланцюг радіоактивних перетворень, можна побачити, що інтенсивність випромінювання різних радіоактивних речовин різна, тобто в різних речовинах за одиницю часу розпадається різна кількість ядер. Активність. Кількість ядер радіоактивної речовини, які розпадаються за одиницю часу, називається активністю. Із розпадом ядер активність певної маси елемента зменшується за законом. 3. Види радіоактивного розпаду. α -розпад полягає в самочинному перетворенні важких ядер з випромінюванням α-частинок. α-частинки покидають ядро зі швидкістю декілька тисяч км/с. Свою енергію вони витрачають на іонізацію та збудження молекул, утворюючи в повітрі до 50 000 пар іонів на одному сантиметрі шляху. β-розпад властивий ядрам, нестабільність яких пов’язана з несприятливим співвідношенням кількості протонів та нейтронів . Якщо в ядрі переважає кількість нейтронів, то відбувається електронний β-розпад ядра; один нейтрон перетворюється у протон і електрон: електрон викидається, тоді в ядрі стає стійкішим співвідношення між нуклонами. Водночас з ядра викидається нейтральна частинка з дуже малою масою — антинейтрино. Позитронний β-розпад. Якщо у ядрі більше протонів, ніж нейтронів, то відбувається позитронний розпад. Позитронний β-розпад спостерігається в деяких штучно отриманих ізотопах. У β-випромінюванні одного і того самого елемента наявні частинки з різною енергією, тому спектр цього випромінювання суцільний. Перетворення протона в нейтрон можливе також у результаті захоплення ядром одного з електронів із найближчої орбіти. Це явище називають електронним або К-захопленням. На відміну від α-частинки, β-частинки розсіюються також на електронах. Кут розсіювання може перевищувати 90°. Пробіг β-частинок у повітрі становить від 10 см до декількох метрів, у воді та живій тканині — декілька міліметрів. Іонізуюча здатність α-частинок у 1000 разів більша, ніж β-частинок (~ 50 пар іонів/см). Під час проходження через середовище β-випромінювання зумовлює процеси збудження та іонізації і, як на слідок, хімічні, фотохімічні, біологічні та інші ефекти. Результати підрахунків свідчать, що для зменшення інтенсивності β-випромінювання вдвічі потрібний шар алюмінію товщиною 0,4 мм (рЛ = 2,7кг/м3) або шар води товщиною 1,1 мм. Тривалість життя позитрона мала, він взаємодіє з електроном і в результаті утворюються два γ-фотони. β-частинка, втрачаючи енергію, може перебувати у вільному тепловому русі або приєднатись до атома й утворити негативний іон. γ-фотони мають велику проникну здатність. У тканини організму γ-випромінювання проникає на велику глибину або проходить крізь тіло людини. Іонізуюча здатність γ-випромінювання невелика (декілька пар іонів на 1 см). Втрачаючи енергію, γ-фотон поглинається електроном, з яким він востаннє зіткнувся. Для кількісної оцінки взаємодії радіоактивних частинок з речовиною вводять питому густину іонізації, питому гальмівну здатність та лінійний пробіг. Лінійна густина іонізації — це кількість пар іонів, утворених на одиниці пробігу частинки. Чим вищий порядковий номер і більша густина речовини, тим з більшою кількістю електронів стикається частинка на одиниці шляху і тим інтенсивнішою є іонізація й меншою глибина проникання її у речовину. Питома гальмівна здатність — це втрата енергії частинкою на одиниці шляху. Лінійний пробіг частинки - визначається шляхом, пройденим нею до повної втрати іонізуючої здатності. Взаємодія частинок з речовиною залежить від їхньої енергії, природи, виду та стану речовини. Усе сказане вище є важливим для розробки методів захисту від іонізуючого випромінювання. 4. Біологічна дія іонізуючого випромінювання Основною ареною дії іонізуючої радіації на живі системи є клітина та її органели, складна структурно-функціональна організація яких впливає на кінцевий результат дії не менше, ніж енергія, швидкість та маса іонізуючих частинок. У результаті дії смертельних доз радіації клітина під мікроскопом виглядає так само, як коли б вона була вбита високою температурою або сильною отрутою; порушується цілісність і гладкість її оболонки (плазматичної мембрани), мембран ядра та інших клітинних органел; ядро ущільнюється, розривається або розпушується. За меншої дози радіації клітина залишається живою, проте в її органелах відбу ваються істотні зміни і, насамперед, у клітинному ядрі. Ядро зберігає спадкову інформацію власне клітини, цілого організму і навіть біологічного виду, передає цю інформацію від клітини до клітини, від організму до організму, забезпечуючи зв’язок поколінь. Усі види іонізуючого випромінювання виявляють біологічну дію, в основі якої є різні взаємопов’язані реакції, що зумовлюють функціональні та морфологічні зміни в живих клітинах, органах та в організмі загалом. Людина зазнає дії радіації двома шляхами — внутрішнім та зовнішнім. Внутрішнє опромінення зумовлене потраплянням в організм радіонуклідів та накопиченням їх у певних органах і тканинах. За однакової інтенсивності джерел внутрішнє опромінення більш небезпечне, ніж зовнішнє, тому що зі збільшенням тривалості опромінення зменшується відстань між випромінювачем та тканинами. Внутрішні органи не мають захисного покриття (типу шкіри) і є беззахисними перед частинками з високою густиною іонізації. Більш ніж 90 % радіонуклідів надходить в організм людини з продуктами харчування та водою і значно менше — з повітрям. Найнебезпечнішими радіонуклідами є стронцій та цезій, які дуже активно впливають на біологічні цикли і мають великий період напіврозпаду. Вутрішнє опромінення залежить від кількості радіонуклідів, що потрапили в організм, ступеня їх розчинності та всмоктування, характеру розподілу в органах і тканинах, а також від швидкості розпаду і виведення з організму. Всмоктування та розподіл радіонуклідів в організмі залежать від їхньої фізико-хімічної природи. Стронцій, цирконій накопичуються переважно в кіс тках, церій і лантан — у печінці, кобальт-60 — у шлунково-кишковому тракті та легенях, цезій-137 — у печінці, селезінці та м’язовій тканині, йод-131 — у щитоподібній залозі. Така вибіркова концентрація радіонуклідів у життєво важливих органах призводить до їх тривалого опромінення. Органи, які найбільше опромінюються внаслідок накопичення в них радіонуклідів, називають критичними. Активність радіонуклідів зменшується внаслідок розпаду ядер і біологічного виведення їх з організму. Час, протягом якого активність радіонуклідів зменшується вдвічі в результаті фізичного розпаду та виведення з організму, називають ефективним періодом напіввиведення. Іонізуюче випромінювання, діючи на ядра та хромосоми клітин, зумовлює зміну генетичної інформації внаслідок впливу на основні спадкові фулекції організму. Радіочутливість. Усі живі організми мають різну радіочутливість. Наприклад, деякі бактерії, віруси здатні переносити великі дози радіації — 100... 10 000 Гр. Істотно меншою є стійкість до іонізуючого випромінювання в людини; смертельна доза радіації для людини 6±1 Гр. З’ясовано, що, починаючи з дози в 1 Гр, іонізуюче випромінювання негативно впливає на організм людини; гранично допустима доза зовнішнього опромінення за рік — до 5 Р. Дію іонізуючого випромінювання на організм можна поділити на три етапи: 1) триває тисячні й мільйонні частки секунди і характеризується фізико-хімічною дією. Поглинання великої енергії випромінювання зумовлює утворення іонізованих, активних у хімічному відношенні атомів і молекул. Виникають радіаційно-хімічні реакції, внаслідок яких розриваються хімічні зв’язки та утворюються вільні радикали. Вільні радикали мають велику хімічну активність і вступають в реакції з ферментами та тканинними білками, окиснюючи та відновлюючи їх; порушуються біохімічні та обмінні процеси в органах і тканинах та накопичуються шкідливі для організму речовини; руйнуються білкові молекули, порушується дія ферментних систем та тканинне дихання; 2) триває від декількох секунд до декількох годин і пов’язаний з дією іонізуючого випромінювання на клітини організму. Внаслідок цього ушкоджуються структурні елементи ядер клітин, насамперед ДНК, ушкоджуються хромосоми, які є носіями спадкової інформа ції, виникають хромосомні аберації, що зумовлюють онкогенні та генетичні зміни; 3) характеризує вплив випромінювання на організм загалом. Наслідки цього впливу можуть виявлятися через кілька хвилин, далі посилюватись і реалізовуватись через багато років. Найбільш чутливими до радіації є кровотворна система, формені елементи крові, лімфоцити, залози кишок, статеві органи, епітелій шкіри та кришталик ока, а менш чутливі — хрящі, внутрішні органи, м’язи, нервові клітини. Ушкоджувальна дія радіації залежить від дози опромінення, її по тужності, тобто навіть великі дози, діючи тривалий час, спричиняють менше ушкодження, ніж такі самі дози, поглинуті за короткий час. Велика загроза зовнішнього опромінення зумовлена наявністю у довкіллі високої концентрації йоду-131. Засобом проти акумуляції радіоактивного йоду в органах і тканинах, особливо в щитоподібній залозі, є вживання його нерадіоактивних аналогів, наприклад йодиду калію. Їжа має бути різноманітною, повноцінною, містити вітаміни, мікро- і макроелементи (натрій, калій, кальцій, фосфор тощо), які є конкурентними антагоністами певних радіонуклідів. Наприклад, кальцій є іонним конкурентом радіоактивних стронцію і радію. Тому достатня кількість кальцію в організмі зменшує акумулювання стронцію і радію та пришвидшує їх виведення з організму. Конкурентом цезію-137 є калій. Споживаючи продукти, які містять багато калію (баклажани, горох, картопля, помідори тощо), можна зменшити накопичення радіоактивного цезію в критичних органах. Вітаміни є антиоксидантами і захищають біологічні речовини від окиснення. Чим менше в клітинах кисню, тим вони менш чутливі до дії радіації. Слід споживати продукти, які багаті на вітаміни А, Е, Р, С, групи В. Існують також хімічні препарати, які захищають людину від дії радіації. їх називають радіопротекторами. Ці речовини зменшують радіочутливість організму, сповільнюють радіохімічні реакції, захищають від ушкодження ферменти, нейтралізують вільні радикали. Захист від зовнішнього рентгенівського, γ- та нейтронного випромінювання здійснюється завдяки комбінації трьох чинників: часу, відстані, екрану. Між тривалістю дії випромінювання та поглинутою дозою виявляється лінійна залежність. Інтенсивність дози зменшується пропорційно до квадрата відстані від джерела випромінювання. Екрани для захисту від рентгенівського та у-випромінювання добирають, беручи до уваги густину речовин, а також концентрацію в них електронів. Для цього найкраще використовувати свинець. Захист від нейтронів забезпечують речовини, які містять компоненти, що поглинають нейтрони, наприклад бор, кадмій тощо. 5. Дозиметрія іонізуючого випромінювання Дозиметрія — це розділ ядерної фізики, який кількісно вивчає дію іонізуючого випромінювання на речовину. Поглинута доза — енергія іонізуючого випромінювання, поглинута одиницею маси речовини. Експозиційна доза. Практично цю дозу визначити важко, тому оцінюють дію поглинутої тілом дози іонізуючою дією випромінювання в повітрі, яке оточує тіло. Експозиційна доза рентгенівського або γ-випромінювання визначається сумарним за рядом іонів одного знаку, утворених випромінюванням в одиниці маси сухого повітря внаслідок його повної іонізації. Дія випромінювання на організм залежить не лише від поглинутої енергії, а й від швидкості зростання дози. Коефіцієнт дає змогу судити про розподіл отриманої дози опромінення між різними тканинами та органами людського тіла. Еквівалентна доза. Біологічна дія іонізуючого випромінювання залежить від його виду. Для оцінювання біологічної дії в дозиметрії порівнюють ефекти дії різних випромінювань з ефектами, зумовленими дією рентгенівських або γ-променів. Вводиться еквівалентна доза. Коефіцієнт якості де к — коефіцієнт якості, що означає в скільки разів біологічна дія певного виду випромінювання сильніша від дії рентгенівського або γ-випромінювання. Одиницею еквівалентної дози в СІ є зіверт (Зв), а позасистемною — бер: 1 Зв = 100 бер. Гранично допустимою дозою вважають 5 бер протягом року. Радіоактивний фон природного та штучного походження відповідає еквівалентній дозі -0,1 бер за рік. Радіочутливість. Тканини та органи людського тіла мають різну радіочутливість, тобто різною є біологічна дія випромінювання на ці тканини та органи. Тому вводять також ефективну еквівалентну дозу. Вимірюється ефективна еквівалентна доза теж у зівертах. Сума значень індивідуальних доз усіх осіб, підданих опроміненню, є кількісною оцінкою ефекту дії випромінювання на групу людей з метою радіаційної безпеки. Одиницею колективної дози є людино-зіверт. Дозиметри. Важливе практичне значення мають способи і методи вимірювання іонізуючого випромінювання. Для цього використовують дозиметри, які реєструють дозу або потужність випромінювання. Індивідуальний дозиметричний контроль потрібний для оцінювання та обмеження дози зовнішнього та внутрішнього опромінення людей, які потрапляють у сферу його дії. Для контролю за зовнішнім опроміненням використовують дозиметри, у яких є конденсаторні камери, спеціальні фотоплівки, термолюмінесцентні елементи. Контроль за внутрішнім опроміненням, тобто за потраплянням радіоактивних речовин в організм або їх вмістом у різних критичних органах здійснюється шляхом реєстрації радіоактивності біологічних систем в організмі — крові, сечі тощо. Мал. 2 Дозиметр 6. Використання ядерних випромінювань у медицині Метод мічених атомів. Атоми радіоактивних ізотопів — це своєрідні генератори випромінювання, яке можна зареєструвати та визначити його локалізацію. На цьому ґрунтується метод мічених атомів, що використовується в біологічних та медичних до слідженнях. Усередину досліджуваного об’єкта вводять радіоактивні ізотопи, а до поверхні тіла щільно прикладають фотоплівку. Ізотопи випромінюють γ-частинки, під дією яких фотоплівка чорніє, особливо на тих ділянках, де вони найбільш сконцентровані. Цей метод дослідження називають авторадіографією. Якщо об’єкт має великі розміри, то використовують сканування: дозиметр повільно пересувають над об’єктом і реєструють місця накопичення радіоактивних ізотопів. Метод мічених атомів використовують для діагностики захворювань. Наприклад, ізотопи застосовують для діагностики захворювань щитоподібної залози. Цим методом досліджують обмін речовин в організмі, а саме: шляхи міграції, накопичення цукрів, інсуліну, глюкози; процеси всмоктування та засвоєння, перетравлювання жирів, білків, вуглеводів. З’ясовано, що до ЗО % фосфору в скелеті може поновитися за одну добу; обмін азоту відбувається від 3—4 днів до 1—2 тиж.; кальцій у різній кількості накопичується в молодих (90 %) та старих кістках. Кобальтова «гармата». Радіоактивні ізотопи застосовують у лікуванні злоякісних пухлин. Основою радіотерапії пухлин є істотна різниця в радіочутливості нормальних і ракових клітин. Коли пухлини розвиваються, їхні клітини діляться. У такому стані вони особливо чутливі до дії радіації. З фізичного погляду це явище пояснюється тим, що молоді клітини містять багато води, яка вктивно взаємодіє з випромінюванням. Особливо часто використо вують у-опромінювання, отримане в результаті розпаду радіоактивного кобальту. Препарат розмішують у спеціальному опромінювачі — кобальтовій «гарматі», чим забезпечується певна спрямованість та дозування випромінювання. Родонова терапія — це використання мінеральних вод, які містять родон та його продукти, для лікування шкіри (родонові ванни), органів травлення (пиття) та дихання (інгаляції). В онкології застосовують комбінацію α-частинок з потоками нейтронів. У пухлину вводять елементи, ядра яких під впливом потоків нейтронів спричиняють ядерну реакцію з утворенням α-випромінювання. У результаті α-частинки і ядра віддачі утворюються в тій ділянці органа, яку потрібно піддати дії радіації. Застосовують також внутрішнє введення радіоактивних препаратів, наприклад ізотопу фосфору (32Р), який концентрується в кістковій тканині, що сприяє нормалізації порушеного кровотворення. Іноді в пухлину механічно вводять активні нукліди. Вони мають високу іонізуючу здатність, тому сприяють руйнуванню клітин пухлини. Для отримання заряджених частинок з великою енергією використовують прискорювачі — циклотрони, синхротрони. Зміни радіоактивного фону, а також стану магніто- та іоносфери Землі негативно впливають на екологію і стан біосфери. Техногенні джерела випромінювань, які широко використовує людство, також негативно впливають на екологічний стан нашої планети. Вивчення цих впливів сприяє збереженню біосфери. 7.Медицина і фізика Радіація — явище потенційно небезпечне, тому опромінення людини підлягає контролю і нормуванню; радіаційну дію слід утримувати на допустимому безпечному рівні. Загальна кількість поглинутої тканинами енергії може бути невеликою, але деякі клітини через нерівномірний розподіл її можуть істотно ушкоджуватися. Дія іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти може бути прямою (утворення вільних радикалів унаслідок збудження та іонізації молекул) та опосередкованою (радіоліз води, продукти якого вступають у хімічну реакцію з молеку лами біологічної системи). Діє радіоактивне випромінюванння на спадковий апарат клітин, поділ клітин. Різні органи мають різну радіочутливість. Найбільш небезпечна ситуація виникає у випадку накопичення в організмі ізотопів, які випромінюють а-частинки з високою густиною іонізації. Мічені атоми використовують у радіоізотопній медицині: для вимірювання об'єму рідини, який недоступний прямому вимірюванню, визначення об’єму плазми або еритроцитарної маси крові, міченої радіоактивним хромом. Радіоактивний аналіз — це метод визначення дуже низької концентрації гормонів у крові та шлунковому соку. Середні дози радіоактивних ізотопів використовують для усунення патологічних утворень, а малі — для діагностики та досліджень. Захист від дії іонізуючого випромінювання залежить від його виду та енергії і здійснюється екрануванням, збільшенням відстані, зменшенням часу дії, а також використанням радіопротекторів, вітамінів, деяких макроелементів — антагоністів радіонуклідів. Радіонуклідні методи дослідження дають змогу отримати унікальну інформацію про структурні та функціональні зміни в органах у нормі й патології, оцінити ефективність здійснених лікувальних заходів. Діагностичні можливості цих методів зростають у міру удосконалення радіологічної апаратури та створення нових радіофармацевтичних препаратів і в майбутньому сфера застосування іонізуючого випромінювання буде розширюватись і застосовуватись в більшій мірі. 

ВШ -11 - 23.03.2021;  Ф - 11, Т= 11 =26.03.2021.

"Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

 

1) Робота

2) Задачі

3) Запитання

1) Тема:Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

Мета:навчитися визначати поверхневий натяг рідини методом відривання крапель і підні­мання рідини в капілярі.

Обладнання:терези лабораторні з набором тягарців, штангенциркуль; клин вимірюваль­ний; лінійказ міліметровими поділками; кол­ба з водою; склянка низька; лійка конусопо­діб­на з корот­кою шийкою; трубка гумова з краном і скляним наконечником діаметром
1,5-3 мм; штатив для фронтальних робіт, капілярна трубка, посудина з підфарбованою водою.

 

Теоретичні відомості

 

Коефіцієнт поверхневого натягу (КПН) рідини чисельно рів­ний відношенню модуля сили поверхневого натягу F, що діє на межу поверхневого шару рідини, до довжини цієї межі L/

У даній роботі КПН води потрібно визначити двома способами: способом відривання крапель і за підніманням рідини у капілярі.

Для вимірювання КПН першим способом використовують установку, зображену на малюнку. У лапці штатива закріплюють лійку (1), на шийку якої надіто гумову трубку з краном (2) і скляним наконечником (3). У лійку наливають досліджувану рідину (воду) і краном регулюють її витікання так, щоб вода окремими краплями падала у підставлену склянку.

У момент відривання краплі від трубки на неї діють дві рівні за величиною, але протилежні за напрямом сили: сила поверхневого натягу F_Н= sL (де L=2pR = pD  – довжина межі між скляною трубкою та краплею, Rі D–відповідно внутрішній радіус та діаметр трубки) та сила тяжіння F_ТЯЖ=mg (де m–маса краплі): 
F_Н=F_ТЯЖ;   spD= mg.

Зрозуміло, що масу однієї краплі з достатньою точністю безпосереднім зважуванням знайти неможливо, тому для визначення mвизначають масу Mдеякої кількості крапель N: m = M / N.

Остаточна формула для визначення КПН води виглядатиме так: 

σ =Mg/πDN.

При вимірюванні КПН другим способом у досліджувану рідину занурюють вузьку капілярну трубку і вимірюють висоту підіймання рідини у трубці (звісно, рідина повинна змочувати матеріал трубки).

Рідина у капілярі підніматиметься силою поверхневого натягу F_Н = spDдо тих пір, поки сила тяжіння піднятого стовпа рідини F_ТЯЖ= mg = grV = grSh = grhpD²/4 (r - густина рідини, h – висота піднятої рідини, g–прискорення вільного падіння) не зрівняється з силою поверхневого натягу:

            F_ТЯЖ=F_Н ,  spD = grhpD²/4,  звідки σ=ρghD/4

.

 

Хід роботи

 

Дослід 1. Вимірювання поверхневого натягу во­ди способом відривання крапель

 

1.Складіть установку так, як зображе­но на малюнку.

2.За допомогою вимірювального клина і штан­генциркуля виміряйте внутрішній  діаметр  Dскляної трубки-наконечника. На терезах виміряйте масу порожньої склянки m₁з точніс­тю до 10мг. Результати вимірювань запишіть у таблицю:

 

D, м	N	m1, кг	m2,кг	M, кг	s, Н/м

 

3. Закрийте кран і налийте в лійку чисту воду. Підставте під трубку колбу з водою і, поступово відкриваючи кран, добийтесь, щоб вода з трубки капала окремими краплями з частотою 30 - 40 крапель на хвилину. У цьо­му разі можна вважати, що краплі відриваються тільки під дією сили тяжіння.

            Після цього швидко заберіть з-під трубки колбу з водою, замінивши її пустою склянкою, яку ви попередньо зважили. Одразу ж почніть відлік кількості крапель, які капають у склянку (це краще робити одночасно кільком учням, щоб випадково не збитись з рахунку). Відрахувавши 80-100 крапель, заберіть склянку з-під трубки і закрийте кран. Запишіть кількість крапель Nу таблицю.

 

4. Вдруге зважте склянку з краплями на терезах, визначивши її масу m₂. Визначте масу всіх крапель води, що попали в чашку: M = m₂–m₁. Отримані дані занесіть у таблицю.

 

5. За формулою  обчисліть  КПН води.

6. Виконайте аналіз похибок, допущених при виконанні досліду.

 

Обчисліть відносну і абсолютну похибки вимірювань за формулами:

• відносна похибка визначення КПН , де
  △D =△D_ІНС + △D_ВИМ – абсолютна похибка вимірювання штангенциркулем
  △D_ІНС=0,05 мм - інструментальна похибка штангенциркуля
  △D_ВИМ= 0,1 : 2 = 0,05 мм - похибка при вимірюванні штангенциркулем, рівна половині ціни поділки динамометра (оскільки вимірювання було лише одне, то в разі, якщо при вимірюванні мітки на шкалі штангенциркуля співпали ідеально точно, похибку вимірювання можна прийняти рівною 0)

 

△М =△М_ІНС + △М_ВИМ – абсолютна похибка вимірювання на терезах

∆М_ІНС= 200 мг – інструментальна похибка шкільних терезів,
∆М_ВИМ – похибка вимірювання на терезах, рівна сумі похибок важків, які використовувались при визначенні маси кульки; похибки важків для шкільних терезів можна знайти з таблиці:

 

Важок	Похибка	Важок	Похибка
100 г	40 мг	2 г	6 мг
50 г	30 мг	1 г	4 мг
20 г	20 мг	500 мг	3 мг
10 г	12 мг	200, 100 мг	2 мг
5 г	8 мг	50,20,10 мг	1 мг

 

• абсолютна похибка визначення КПН води
• значення КПН води з врахуванням похибок

 2) Задачі.

№16. В капілярній трубці, радіус якої 0,5мм, рідина піднялася на висоту 11мм. Визначте густину цієї рідини, якщо коефіцієнт поверхневого натягу рівний 0,022Н/м.

№17. Парціальний тиск водяної пари в повітрі при температурі 19ºС дорівнює 1,1кПа. Визначте відносну вологість повітря. Тиск насиченої пари 2,20кПа.

№18. Визначте коефіцієнт поверхневого натягу рідини, якщо сила величиною 0,058Н діє на ділянці завдовжки 2м.

№19. Визначте діаметр пор в папері, якщо вода підіймається в них на висоту 30см. Коефіцієнт поверхневого натягу води 7·10^-2Н/м. Густина води 1000кг/м³.

№20. Яка сила поверхневого натягу діє на воду, яка перебуває в трубці діаметром 2мм? Густина води 1000кг/м³.

 

----------------------------------------------

Для листів – vpalaguta@meta.ua