- •I. Самостоятельная работа студентов во внеурочное время.
- •Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время
- •Теоретический материал по теме занятия
- •Поверхностно-активные вещества
- •Смачивание и несмачивание. Мениски
- •Капиллярные явления
- •II. Работа студентов во время практического занятия.
- •Приборы и принадлежности
- •Принцип метода
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
им. Н.Н. БУРДЕНКО"
|
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ
Методические указания
студентам по теме лабораторного занятия
Поверхностное натяжение, мениски, капиллярность.
определение коэффициента поверхностного натяжения
по методу отрыва капель
Воронеж 2009
РАЗДЕЛ: МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.
ТЕМА: Поверхностное натяжение, мениски, капиллярность. Определение коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва капель.
ЦЕЛЬ: В ходе занятия студенты должны овладеть необходимыми теоретическими знаниями о механических свойствах жидкостей: поверхностное натяжение, мениск, капиллярные явления. Знать природу сил поверхностного натяжения, физический смысл коэффициента поверхностного натяжения, методы определения коэффициента поверхностного натяжения.
ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: Научиться определять коэффициент поверхностного натяжения жидкости; исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры, концентрации раствора; применять полученные знания для решения практических задач.
МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: Жидкие среды составляют наибольшую часть биологического организма, поэтому механические свойства жидкости представляют особый интерес для медиков и биологов. Поверхностное натяжение биологических жидкостей, в некоторых случаях, может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.
I. Самостоятельная работа студентов во внеурочное время.
Задание 0.
Повторить теоретический материал школьного курса физики – раздел "Молекулярная физика", тема "Свойства жидкости":
– строение и свойства жидкостей;
– силы взаимодействия молекул;
– смачивание и капиллярность.
Задание 1.
Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендованную литературу и настоящую методическую разработку, по следующей логической структуре учебного материала:
1. Природа сил поверхностного натяжения:
а) межмолекулярные взаимодействия в растворе и на его поверхности;
б) силы поверхностного слоя, внутреннее (молекулярное) давление жидкости;
в) силы определяющие поверхностное натяжение.
2. Коэффициент поверхностного натяжения:
а) формула расчета коэффициента поверхностного натяжения и ее физический смысл;
б) единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения;
в) понятие поверхностного натяжения;
г) соотношение поверхностной энергии и коэффициента поверхностного натяжения.
3. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения:
а) метод отрыва капель (вывод формулы);
б) метод отрыва кольца;
в) метод образования пузырьков (метод Ребиндера).
4. Поверхностно-активные вещества:
а) влияние поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение жидкости;
б) применение поверхностно-активных веществ и их роль в биологических процессах.
5. Смачивающие и несмачивающие жидкости:
а) условие, при котором наступает явление смачивания (или несмачивания);
б) величина краевого угла для смачивающей (или несмачивающей) жидкостей;
в) гидрофильная и гидрофобная поверхности твердого тела.
6. Мениски:
а) выпуклый (вогнутый) мениски, давление, возникающее при его образовании;
б) формула Лапласа.
7. Капиллярные свойства жидкости:
а) повышение (или понижение) уровня жидкости в узких трубках за счет дополнительного давления;
б) тела, обладающие капиллярными свойствами;
в) роль капиллярных явлений для жизни растений;
г) газовая эмболия (закупорка кровеносных сосудов).
Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время
1. Учебная и методическая литература
а) основная
– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 123-129.
– Ремизов А.Н. Курс физики / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2004. – С. 243-248.
– Ливенцев Н.М. Курс физики / Н.М. Ливенцев. – М.: Высшая школа, 1974. – С. 161-170.
– Лекционный материал по разделу "Гидро- и гемодинамика".
б) дополнительная
– Блохина М.Е. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / М.Е. Блохина, И.А. Есаулова, Г.В. Мансурова. – М.: Дрофа, 2001. – С. 77-82.
– Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов / А.Н. Ремизов. – М.: Высш. шк., 1982. – С. 159-168.
– Ремизов А.Н. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов. – М.: Высш. шк., 1987. – С. 63.
2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).
Теоретический материал по теме занятия
Для жидкостей характерны свойства, связанные с ее молекулярным строением: относительная несжимаемость, внутреннее давление, текучесть, внутреннее трение (вязкость) и, так называемые, поверхностные явления – поверхностное натяжение, смачиваемость, капиллярность.
Поверхностное натяжение образуется на свободной поверхности жидкости, т.е. на границе с газообразной средой (а также с другой несмачивающей жидкостью или с несмачиваемым твердым телом). Это связано с тем, что на молекулу А, находящуюся на свободной поверхности (рис. 1а), силы притяжения со стороны окружающих молекул действуют значительно сильнее, чем со стороны паров жидкости или газа, с которыми жидкость граничит, и последними можно пренебречь. На молекулу В (в глубине жидкости) эти силы действуют равномерно со всех сторон и взаимно уравновешиваются. Каждую из сил, действующих на молекулу А, можно разложить на 2 составляющие, направленные одна вдоль (касательно) поверхности жидкости, другая – ей перпендикулярно (рис. 1б). Складываясь между собой, составляющие, перпендикулярные поверхности, дают силу (fн), направленную в глубь массы жидкости. Силы всех молекул поверхностного слоя, складываясь, оказывают на жидкость давление. Это давление называется внутренним или молекулярным давлением жидкости.
Касательные составляющие образуют равные и противоположные силы (fк), направленные вдоль поверхности. Силы fк, взаимно уравновешиваясь по отношению к каждой молекуле, в тоже время связывают их между собой дополнительными силами притяжения, подобно тому, как это имеет место в растянутой пленке. Суммарное действие этих сил называют поверхностным натяжением жидкости.
Поверхностное натяжение характеризуют силой Fп, приложенной к контуру, ограничивающему поверхность жидкости. Эта сила в каждой точке контура направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярно к линии ее контура так, что стремится сократить свободную поверхность жидкости (рис. 2). Сила поверхностного натяжения Fп для смачивающих жидкостей уравновешивается равной ей по величине и противоположной по направлению силой сцепления Fп' молекул жидкости и вещества стенок сосуда, ограничивающих свободную поверхность жидкости.
| |
а) |
б) |
Рис. 1. Явление поверхностного натяжения |
Поверхностное натяжение можно показать на опыте с мыльной пленкой (рис. 3). На проволочной рамке АBСD с легкоподвижной перекладиной (mn) образована пленка из мыльного раствора в воде. Пленка, сокращаясь, тянет перекладину вверх и, чтобы удержать ее на месте, к ней надо подвесить грузик q.
Сила его тяжести уравновешивает силу поверхностного натяжения двух слоев молекул (по обе стороны пленки), действующую на длине (l) перекладины.
| |
Рис. 2. Силы действующие по контуру, ограничивающему поверхность жидкости |
Рис. 3. Опыт с мыльной пленкой |
Сила поверхностного натяжения, приходящаяся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в ньютонах на метр (Н/м).
Для случая, представленного на рис. 3, можно написать, что , следовательно,.
При повышении температуры силы притяжения между молекулами уменьшаются, следовательно, и коэффициент поверхностного натяжения также уменьшается. Снижение поверхностного натяжения можно достичь введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.
Для того чтобы переместить молекулу из глубины жидкости в поверхностный слой и тем самым увеличить площадь поверхности жидкости, надо совершить работу против равнодействующей молекулярных сил (fн), направленных в глубь жидкости. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии молекулы, подобно тому, как работа, совершаемая летящим вверх телом против сил земного притяжения, идет на увеличение потенциальной энергии тела. Следовательно, молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией, и поверхностный слой в целом имеет дополнительную энергию, которая называется поверхностной энергией. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость, предоставленная самой себе, будет принимать форму с минимальной поверхностью, т.е. форму шара.
Исходя из выше сказанного, запишем соотношение между поверхностной энергией (W) и коэффициентом поверхностного натяжения
,
т. е. коэффициент поверхностного натяжения равняется поверхностной энергии (W), приходящейся на единицу площади (S) свободной поверхности жидкости. В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в системе СИ в Дж/м2.