Задачи › Поверхностное натяжение, давление Лапласа

Размер капли

  1. Размер капли

    IEPhO 2015/16, 8 кл.
    4/10

    В данной работе не требуется оценка погрешностей!

    Рисунок

    Рисунок 1

    A1. Подсоедините шприц к верхней части капилляра. Опустите иглу в стакан с водой. С помощью шприца получите столб жидкости в капилляре высотой \(H \approx 40~см\). Координата \(H\) отсчитывается от уровня нуля линейки (рисунок 1). После чего отсоедините шприц, измерьте зависимость координаты уровня воды \(H\) в капилляре от времени \(H(t)\). Постройте ее график.

    A2. Аналогичным образом измерьте зависимость количества капель, упавших с нижней части иглы, от времени \(N(t)\). Измерения следует проводить для той же самой начальной высоты столба жидкости, что и в первом пункте. Постройте график полученной зависимости.

    A3. Рассчитайте зависимость количества упавших капель от координаты столба жидкости \(N(H)\), используя полученные ранее результаты. Постройте ее график.

    A4. Основываясь на полученных результатах, сделайте вывод о характере зависимости объемов капель, падающих с иглы, от высоты столба жидкости в капилляре.

    A5. Измерьте объем единицы длины капилляра. Рассчитайте, в каких пределах изменяется объем капли в процессе истечения жидкости. Можно ли считать объем капли не зависящим от высоты столба жидкости \(H\)?

    Оборудование

    1. Штатив

    2. Линейка, закрепленная на штативе

    3. Капилляр, проходящий вдоль линейки

    4. Игла малого диаметра, закрепленная на конце капилляра

    5. Стакан с водой

    6. Секундомер

    7. Шприц

    Примечание: секундомер, использующийся в вашей работе, обладает памятью временных этапов. Для правильного использования секундомера в этом режиме ознакомьтесь внимательно с инструкцией. В случае если у вас остались вопросы, обратитесь к дежурному преподавателю.

    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Ответ

    A4: Зависимость \(N(H)\) является линейной

    Решение

    A1. Помещаем иглу в чашку с водой, затем откачиваем шприцем воздух из капилляра. Ждем некоторое время, пока уровень воды в капилляре поднимается. После этого отсоединяем шприц, иглу достаем из воды, и наблюдаем за тем, как уровень воды начинает постепенно падать. В момент, когда уровень воды будет иметь координату \(H_{0}=40~см\) запускаем секундомер. Используя функцию памяти временных этапов секундомера, снимаем зависимость координаты уровня воды в капилляре от времени \(H(t)\) и строим ее график. Результаты измерений приведены в таблице, рядом изображен график полученной зависимости (рис. 2).

    Ответ:

    \(H.~см\)011.4724.2235.2648.160.5473.8486.62100.2114.1128.26143.66
    \(t,~с\)403938373635343332313029
    \(H.~см\)158.92173.77189.8205.63222.32239.11257.03275.29294.82315.56336.17360.76383.01
    \(t,~с\)28272625242322212019181716
    \(H.~см\)408.97435.85462.62492.53525.78563.97601.33641.22688.03738.75796.43861.42
    \(t,~с\)151413121110987654

    Ответ:

    Рисунок

    Рис. 2

    A2. Аналогичным образом проведем вторую серию измерений. В этот раз запускаем секундомер в момент, когда координата столба жидкости также будет равна \(H_{0}=40~см\). Будем отсчитывать 20 капель, после чего делать отметку времени на секундомере. Таким методом измеряем зависимость количества упавших капель от времени \(N(t)\), где \(N\) меняется с шагом 20. Результаты второй серии измерений приведены в таблице 2, рядом изображен график полученной зависимости (рис. 3).

    Ответ:

    \(N\)300320340360380400420440460480500520540560580
    \(t,~с\)255.14277.93302.55327.52354.4383.24414.0547.50483.18524.34567.14614.96667.96729.11800.21
    \(N\)020406080100120140160180200220240260280
    \(t,~с\)014.2028.2142.5157.1472.1287.17103.78120.33137.32154.99173.42192.49212.46233.26

    Ответ:

    Рисунок

    Рис. 3

    A3. Теперь найдем зависимость \(N(H)\), «сшив» две полученные зависимости. Выберем некоторые значения координаты столба жидкости \(\left\{H_{1}, H_{2}, H_{3} \ldots\right\}\), для каждого из этих значений определим времена \(\left\{t_{1}, t_{2}, t_{3} \ldots\right\}\). Из графика \(N(t)\) построенного на миллиметровой бумаге найдем значение \(\left\{N_{1}, N_{2}, N_{3} \ldots\right\}\) соответствующих временам \(\left\{t_{1}, t_{2}, t_{3} \ldots\right\}\). Поскольку и в первом и во втором эксперименте измерения проводились для одинаковой начальной координаты столба жидкости \(H_{0}\), то определенные нами пары точек \(\left[N_{i}, H_{i}\right]\) как раз представляют собой искомую зависимость \(N(H)\).

    Значения \(N\) и \(H\) определенные в этом пункте представлены в таблице, рядом с ней график полученной зависимости \(N(H)\) (рис. 4).

    \(t,~с\)070125205270335400465530565
    \(H,~см\)403632282420161286

    Ответ:

    Рисунок

    Рис. 4

    A4. Ответ:

    Зависимость \(N(H)\) является линейной

    A5. Рассчитаем объем единицы длины трубки. Шприцем закачаем в нее воду. Измерим изменение объема воды в шприце \(V=2.4~мл\). Измерим длину части трубки заполненной водой \(l=35~см\).

    Отсюда объем единицы длины трубки равен:

    \[V_{трубы}: l=V: l=\frac{2.4~мл}{35~см}=(0.069 \pm 0.003)~мл/см\]Определим, как будет при этом меняться размер капель \(V_{капли}(H)\) от высоты столба. Пусть за некоторое время \(\Delta t\) из трубки выпало некоторое количество капель \(\Delta N\). При этом объем воды в трубке уменьшился, а значит и высота трубки уменьшилась на некоторое \(\Delta H\). Считая, что за малое время \(\Delta t\) объем капель \(V_{капли}(H)\) можно считать постоянным, получаем:

    \[\frac{\Delta N \cdot V_{капли}(H)}{\Delta t}=\frac{S \cdot \Delta H}{\Delta t}\]где \(S\) – площадь сечения трубки. Отсюда получаем, что:

    \[V_{капли}(H)=\frac{S \Delta H}{\Delta N}\]Поскольку \(N(H)\) – линейная, делаем вывод, что \(\dfrac{\Delta H}{\Delta N}=\operatorname {const}\), т.е. размер капель можно считать постоянным в процессе истечения жидкости.

    Рассчитаем размер капель. Возьмем высоту \(H'=8~см\), которой соответствует количество капель \(N^{'}=530~штук\). Объем капли отсюда:

    Ответ:

    \[V_{капли}=\frac{H_{0}H^{\prime}V_{трубы}}{l N^{\prime}}=\frac{32 ~см\cdot 0.069~мл/см}{530~шт}=(4.2 \pm 0.6)~мкл\]

    Источник: pho.rs/p/4005.

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи