|
|
Учебник для 10 класса ФИЗИКА§ 7.8. Примеры решения задачЗадачи на материал данной главы отличаются от обычных задач на гидростатику лишь тем, что в них принимается во внимание еще одна сила — сила поверхностного натяжения, определяемая формулой (7.4.3). Для решения задач используются также формулы для поверхностной энергии (7.3.2), давления под изогнутой поверхностью (7.6.6) и высоты поднятия жидкости в капилляре (7.7.3).
Задача 1 Определите энергию, освободившуюся при слиянии мелких капель воды радиусом r = 2 • 10-3 мм в одну большую каплю радиусом R = 2 мм. Считать, что при слиянии мелких капель температура не изменяется. Поверхностное натяжение воды равно σ = 7,4 • 10-2 Н/м. Решение. Обозначим число мелких капель через n. Тогда общая поверхность всех мелких капель
Поверхность одной большой капли
Поверхностная энергия всех мелких капель
а одной крупной капли
Так как температура не изменялась, то кинетическая энергия молекул воды тоже не изменилась. Следовательно, выделение энергии произошло за счет уменьшения потенциальной (поверхностной)энергии:
Чтобы найти число капель п, учтем, что объем воды не изменился. Сумма объемов мелких капель
а объем большой капли
Так как V1 = V2, то
Отсюда число мелких капель
Подставляя это значение n в выражение (7.8.1), получим
Задача 2 Смачиваемый водой кубик массой m = 0,02 кг плавает на поверхности воды. Ребро кубика имеет длину а = 0,03 м. На каком расстоянии х от поверхности воды находится нижняя грань кубика? Решение. Архимедова сила уравновешивает силу тяжести кубика и силу поверхностного натяжения. Следовательно,
Отсюда
Силы поверхностного натяжения вносят поправку около 1 мм. Задача 3 Два мыльных пузыря радиусами R и r «срослись», как показано на рисунке 7.29. Какую форму примет пленка, разделяющая оба пузыря? Какие углы образуются между пленками в местах их соприкосновения?
Рис. 7.29 Решение. Давление внутри мыльного пузыря радиусом R больше атмосферного давления на величину , а внутри меньшего пузыря — на величину . В этих выражениях учтено, что у мыльного пузыря две поверхности. Давление внутри пузыря радиусом R вместе с давлением участка пленки между пузырями должно уравновесить давление внутри меньшего пузыря. Следовательно,
где Rx — радиус кривизны участка пленки АВ. Отсюда
Силы поверхностного натяжения в любой точке поверхности соприкосновения пузырей уравновешивают друг друга и равны между собой. А это возможно только в том случае, когда углы между векторами сил равны 120°. Задача 4 Длинную стеклянную капиллярную трубку, радиус канала которой r = 1 мм, закрыли снизу и наполнили водой. Трубку поставили вертикально и открыли ее нижний конец, при этом часть воды вылилась. Какова высота столба оставшейся в капилляре воды? Решение. Столб воды в поставленной вертикально трубке удерживается верхним и нижним менисками (рис. 7.30).
Рис. 7.30 Давление в точке В под верхним мениском
а давление в точке С над нижним мениском
С другой стороны,
Следовательно,
или
Отсюда
Задача 5 Конец капиллярной трубки опущен в воду. Какое количество теплоты Q выделится при поднятии жидкости по капилляру? Краевой угол принять равным нулю (полное смачивание). Решение. Жидкость поднимается согласно формуле (7.7.3) на высоту h = . Потенциальная энергия столбика жидкости в поле тяготения Земли
так как
Силы поверхностного натяжения совершают работу
На увеличение потенциальной энергии Еp идет половина этой работы. Следовательно, выделение теплоты происходит за счет другой половины. Таким образом,
Задача 6 Капиллярная трубка погружена в воду таким образом, что длина непогруженной ее части составляет l = 0,2 м. Вода поднялась в трубке на высоту = 0,1 м. В этом положении верхний конец трубки закрывают пальцем и трубку погружают в воду до тех пор, пока уровень воды в ней не сравняется с уровнем воды в сосуде. Найдите длину выступающей из воды части трубки в этом положении. Внешнее давление р0 = 105 Па. Решение. Согласно формуле (7.7.3)
Найдем давление воздуха, которое установится в погруженном закрытом сверху капилляре после выравнивания уровней воды (в сосуде и капилляре). Обозначим давление воздуха в капилляре буквой р, тогда под вогнутой поверхностью воды в капилляре давление равно (см. § 7.6). Так как жидкость в капилляре и сосуде находится в равновесии, то давление на жидкость в сосуде (атмосферное давление р0) равно давлению :
Откуда
Полагая температуру неизменной и применив закон Бойля—Мариотта, получим
Отсюда
Найдем из уравнения (7.8.7) значение σ и подставим его в выражение (7.8.8):
И наконец, подставив в (7.8.10) выражение (7.8.11) для р, окончательно получим
Упражнение 6
|
|
|