Поверхностное натяжение воды

XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Поверхностное натяжение воды

Порошин А.А. 1
1МАОУ СШ № 137
Порошина О.В. 1
1МАОУ СШ № 137
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Опыты с поверхностным натяжением воды я встречал много где, например, в передаче на канале «Да Винчи», в мультфильме Фиксики, в домашних энциклопедиях, в видеороликах. Мне стало интересно проделать некоторые из этих опытов дома. Например, я капал на монетку воду пипеткой и наблюдал, как вода не выливается, а надувается сверху как бы линзой. Я наливал в кружку воду до краев и опускал туда монетки. Сила Архимеда выталкивала воду из кружки, но вода не выливалась, ее удерживала сила поверхностного натяжения, она надулась горкой и это продолжалось до определенного момента, а потом вода выплеснулась. Мне известно, что на многие свойства воды влияет температура и наличие в ней примесей. И у меня возникла идея исследовать зависимость силы поверхностного натяжения воды от ее температуры и наличия в ней соли, тем более, что такие опыты я ранее нигде не встречал. Так как чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы, то я предполагаю, что это должно влиять на силу поверхностного натяжения. Соль меняет плотность воды, что тоже может повлиять.

Перед выполнением работы я поставил перед собой следующую цель: Исследование зависимости поверхностного натяжения воды от ее температуры и наличия соли в домашних условиях.

Для достижения цели мне нужно было выполнить следующие задачи:

проанализировать различные источники, где описывается теория явления, описываются факты проявления в природе и жизни.

Провести дома ряд экспериментов для понимания процессов.

Провести опыты дома с горячей и холодной водой, с соленой водой.

Оценить и сравнить результаты, проанализировать их.

Сделать выводы.

Задачи я решал следующими методами:

Изучение различных источников.

Проведение опытов в домашних условиях.

Измерение, сравнение, обработка результатов.

Научная статья

§1. Немного о поверхностном натяжении воды

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги.

Существуют целые виды насекомых мелких и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:

1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля «сминается», но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.

2. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

- Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар;

- Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы;

- Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;

- Пострадали бы важные функции нашего организма.

Также поверхностное натяжение воды мы может наблюдать также в песочнице. Как вы думаете, почему из сухого песка куличики не лепятся, а из мокрого прекрасно держат форму? Разве вода-это клей? Именно из-за того, что молекулы воды притягиваются друг к другу, мокрый песок не рассыпается!

Какова же природа этого явления? Молекулы воды притягиваются друг к другу, вода принимает форму, при которой число молекул на поверхности будет минимальным, а это форма шара. Поверхность жидкости сокращается и мы понимаем это как поверхностное натяжение.

§2. Опыты с монетой

Для опытов с монетами мне понадобилась пипетка, шприц без иглы, горячая вода (из чайника), холодная вода (из крана), две пятирублевые монеты, салфетки.

Сначала я решил провести один и тот же опыт с горячей и холодной водой. Я взял две пятирублевые монеты, положил их на салфетку. Важным условием эксперимента являлось то, что поверхность стола должна быть идеально ровная, а иначе на результат эксперимента повлияет гравитация. Сначала я капал на монету водой из шприца, но увидел, что на размер капли влияет то, с какой силой я жму на поршень шприца, и поэтому я взял пипетку и начал очень аккуратно капать близко к монете и считать капли. Вода с монеты не выливалась, удерживаемая на поверхности силами натяжения, сверху образовалась как бы линза из воды. (рис.1). Когда воды стало больше, чем могли удержать силы натяжения на поверхности, она пролилась на салфетку. В результате горячей воды до момента выливания вошло 43 капли, холодной воды 36 капель. Данный опыт я повторил и результат получился такой же. Я ожидал, что холодной воды войдет больше, так как у холодной воды сила притяжения между молекулами должна быть больше, так как у горячей воды молекулы двигаются быстрее, что ослабевает притяжение между ними. Но, вероятно, размер капель холодной и горячей воды разный: капли горячей воды меньше, опять же из-за меньшей силы поверхностного натяжения. Также, поскольку объем воды очень маленький в опыте, то она очень быстро меняла температуру, что тоже повлияло на качество исследования.

Я сделал вывод, что данный метод не даст мне четкой закономерности и ясной картины зависимости по вышеуказанным причинам.

Рис.1

§3. Опыты с опусканием монет в кружу с водой

Далее я опять проделал опыты с горячей и холодной водой, с соленой холодной водой. Холодная вода имела температуру примерно 18 градусов (вода из под крана). Горячая вода – температура примерно 95 градусов. (сразу после закипания, налитая в кружку). У соленой воды концентрация – 20 гр. соли на 1 л. воды. (примерно как в Черном море). Перед опытами я с помощью «уровня» добился идеальной горизонтальной поверхности стола. Для опытов мне понадобились две кружки, много десятикопеечных монет, горячая и холодная вода (как в предыдущем эксперименте), салфетки, соль.

Сначала для эксперимента я взял высокий стеклянный стакан, но в нем монета при опускании сталкивалась со стенками и вода сильно колыхалась, поэтому я отдал предпочтение широкой чайной чашке.

Я постарался очень ровно до краев налить холодную воду в кружку и начал аккуратно, ребром вниз опускать в воду монету за монетой и считать их. Монеты должны выталкивать воду из кружки (по закону Архимеда), но вода не выливалась, а как бы надувалась горкой над поверхностью кружки, удерживаемая силами поверхностного натяжения, таким образом в кружку до того, как вода начала выплескиваться, вошло 69 монет. (рис.2). Во время этого первого опыта я отметил, что на точность результата могло повлиять, насколько точно до краев я налил воду в кружку, колыхание воды при опускании монетки и даже ровность стола. Теория эксперимента говорит о том, что результат одного эксперимента может быть случайным, поэтому чтобы зафиксировать закономерный результат, то эксперимент нужно повторять несколько раз. Поэтому я выполнял один и тот же опыт 5 раз, чтобы взять для вывода средний результат по пяти измерениям, чтобы минимизировать факторы, которые приводят к погрешности.

Рис.2

В таблице представлены результаты экспериментов с пресной холодной водой.

1 опыт

69 монет

2 опыт

69 монет

3 опыт

67 монет

4 опыт

77 монет

5 опыт

70 монет

Среднее значение

70,4 монеты

Те же опыты я провел с горячей водой

1 опыт

55 монет

2 опыт

58 монет

3 опыт

49 монет

4 опыт

57 монет

5 опыт

51 монета

Среднее значение

54 монеты

Дальше проделал тоже самое с холодной соленой водой.

Концентрация: 20 гр на 1 л воды.

1 опыт

51

2 опыт

59

3 опыт

54

4 опыт

46

5 опыт

55

Среднее значение

53 монеты

Чем больше в кружку входит монет до момента выплескивания воды, тем

больше сила поверхностного натяжения.

Результат ожидаемый - у горячей воды сила поверхностного натяжения слабее, так как вода выдержала меньшее количество монет.

Также я вижу, что соль тоже ослабила поверхностное натяжение воды.

§4. Экспериментальная проверка некоторых картинок из интернета.

Далее я решил проверить то, что видел на картинках в интернете – на воде лежала скрепка, или иголка, но не тонули, хоть они и металлические, а металл тяжелее воды, значит должны были утонуть. Удержит ли действительно «пленка» на поверхности металлическую иглу? Я взял швейную иглу и осторожно с помощью пинцета положил ее на поверхность воды. Игла не утонула! Ее удерживала на поверхности сила натяжения воды. Прямо как водомерку!

Так как на поверхности воды практически нет трения, то я решил воспользоваться этим и сделать компас. Я намагнитил иглу, положив ее на обыкновенный магнит, и вернул ее на поверхность воды, и она развернулась своим более тяжелым концом точно к северу (влекомая силами магнитного поля планеты, которые идут параллельно от юга к северу). Я разворачивал иглу аккуратно деревянной палочкой, но игла упорно разворачивалась к северу! Получился самый настоящий компас!

Заключение

В ходе выполнения работы во время эксперимента с монетой мне не удалось зафиксировать зависимость силы натяжения от температуры воды, так как там велся подсчет капель и сравнивалось их количество, но так как капли имеют разный размер, то невозможно сравнить объем горячей и холодной, который помещается на монету.

В результаты опытов с погружением в кружки с водой монет, я установил, что в кружку с холодной водой помещается больше всего монет, что говорит о том, что выше края стакана вытолкнулось больше воды, а значит сила поверхностного натяжения выше. Нагревание воды до 95 градусов и добавление соли примерно в равной мере ослабило поверхностное натяжение воды. То есть у горячей воды сила поверхностного натяжения меньше, чем у холодной. Добавление соли также ослабляет силу поверхностного натяжения воды.

Также я своими глазами увидел, что «пленка» на поверхности воды может удержать металлическую иглу. И, если эту иглу намагнитить, то она выполняет роль стрелы компаса, так как сила трения не препятствует силам магнитного поля Земли.

Мне нравится исследовать что-то, проводить эксперименты. В дальнейшем я планирую проводить опыты с поверхностным натяжением воды, добавляя мыло, спирт, масло пищевое, эфирные масла. Также планирую исследовать другие свойства воды, например, текучесть и сжимаемость.

Список литературы и интернет - источников

https://ru.wikipedia.org/

https://fis.bobrodobro.ru

https://www.youtube.com/

https://yandex.ru/images/

Суперкнига для юного ученого, Вероник Шваб, изд. Клевер, 2019

Большая копилка тайн для мальчиков, Вайткене Л.Д., Мерников В.А., изд. АСТ, 2018

Просмотров работы: 1283