XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Методы изучения поверхностного натяжения воды
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С древнейших времен люди искали причины различных явлений природы. Эти поиски приводили к открытиям различных естественнонаучных законов. Знания по естественным наукам необходимы людям не только для объяснения явлений природы, но и для использования в практической деятельности. Проявляя интерес к физике, я может быть не стану физиком - теоретиком, а буду инженером, техником. Успех моей деятельности будет обеспечиваться не только умением мыслить, но и умением обобщать, и выбранная мною тема очень актуальна для изучения. В окружающем нас мире наряду с тяготением и трением действует ещё одна сила, на которую мы мало обращаем внимания. Эта сила сравнительно невелика и никогда не вызывает впечатляющих эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воды в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью, без того, чтобы не привести в действие эту силу - силу поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.
Гипотеза:
Изучить свойства воды.
Предмет исследования:
Поверхностное натяжение.
Методы исследования: теоретический:
Сбор информации, анализ, синтез, обобщение;
Цель:
Исследовать поверхностные явления в жидкостях и изучить существенные методы определения поверхностного натяжения на границе «жидкость – воздух».
Задачи данной работы:
Изучить основы молекулярной физики, связанные с поверхностными явлениями в жидкостях.
Изучить применение поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.
Провести анкетирование в своем классе, знают ли ученики о свойствах жидкости и в частности воды. Составить диаграммы
1. Физика поверхностного натяжения
1.1. Особенности взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости
Понятие поверхностного натяжения жидкости до некоторого времени оставалось в тени крупных достижений в областях молекулярной физики и физической химии. Классики физики «крупными мазками» создали молекулярную физику, статическую физику, физическую химию. При этом всегда упоминалось понятие поверхностного натяжения жидкости и связь его с поверхностью жидкости Так Я. Френкель еще в начале 20 века предполагал наличие определенной связи коэффициента поверхностного натяжения с другими физическими величинами.
Но теоретической расчетной формулы для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости до недавнего времени не было. Единственное, в чем были единодушно и согласны все авторы, так это в том, что поверхностный слой молекул жидкости имеет другую энергию, чем молекулы жидкости внутри. Таким образом, все поверхностные энергии привязывались к поверхности и рассчитывались пропорционально поверхности.
Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи границы раздела жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.
Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, необходимо совершить работу. При увеличении поверхности определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией.
Величина энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и поверхностной и количества ближайших соседних молекул.
Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади Ѕ: Е= σ ·Ѕ. Где σ – коэффициент пропорциональности, называемый поверхностным натяжением, имеющий размерность Дж/м2 (или Н/м). S- площадь поверхности.
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
1.2 Методы измерения поверхностного натяжения жидкости.
Методов определения поверхностного натяжения существует достаточно много: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.
Метод пузырька
«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал великий английский физик лорд Кельвин.
В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы «армирован» частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.
Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки (Приложение №1).
Метод проволочной рамки
Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.
Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.
Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности (Приложение №2)
Метод капли
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.
В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка (Приложение №3).
Опыт «Пробирка»
Первый взгляд на чай, налитый в чашку, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернем на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку».
Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости (Приложение №4).
Опыт «Плато»
Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образовавшийся масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато, свой метод Плато применил для исследования различных явлений (Приложение №5).
1.3 Роль поверхностного натяжения в жизни.
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.
Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно “носить воду в решете”. Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.
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.
Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности. Но почему возникают эти силы, мы обязаны хотя бы кратко рассказать.
2. Практическая часть
Проведение опроса одноклассников.
В опросе участвовало 24 учащихся из 7 «Б» класса.
На первый вопрос «Пьете ли вы воду?»
Результат:
1.В результате 100 % одноклассников ответили, что пьют воду.
Из результата видно, что все одноклассники пьют воду.
На второй вопрос «Знаете ли вы свойства воды?»
Результат:
В результате 42% одноклассников ответили, что знают свойства воды, 37,5% одноклассников ответили, что не знают свойства воды, 20,5% одноклассников знают частично свойства воды.
Из результата видно, что большинство одноклассников знают свойства воды.
На третий вопрос «Наблюдали вы как по поверхности воды в водоемах бегают насекомые?»
Результат:
В результате 67% одноклассников видели, как по поверхности воды бегают насекомые.
33% одноклассников не наблюдали такого явления.
В результате большинство одноклассников наблюдали как насекомые бегают по поверхности воды.
На четвертый вопрос «Знаете ли почему это происходит?»
Результат:
В результате 21% одноклассников знают почему это происходит.
33 % одноклассников не знают, а 46 % частично знают, но не до конца это осознают.
В результате можно сказать, что половина одноклассников имеет представление, почему это происходит.
На пятый вопрос «Хотели бы вы узнать про это явление?»
Результат:
В результате 92% одноклассников хотят узнать про это явление.
А 8% одноклассникам не интересны эти познания.
В результате видно, что практически все одноклассники хотят узнать про это явление.
Выводы
Изучил основы молекулярной физики, связанные с поверхностными явлениями в жидкостях.
Изучил применение поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.
Провел анкетирование в своем классе, знают ли ученики о свойствах
жидкости и в частности воды, и составил диаграммы опроса.
Заключение
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине лёгкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.
Прогиб плёнки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в частое решето. Так что можно «носить воду в решете». Ткань – это тоже решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение затрудняет просачивание воды сквозь неё, и потому она не промокает насквозь мгновенно.
В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка стремится придать жидкости сферическую форму, но препятствует сила тяготения. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объёмными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы радуги.
Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в современных технологиях, полиграфии, технике.
В перспективе рассказать о силе поверхностного натяжения одноклассникам на уроке физике.
Список используемой литературы
1. Я.И. Перельман «Знаете ли вы физику», ОНТИ.Л,1955.
2. Ю.И. Смирнов «Мир физики», С-П.МиМ-Э,1995.
3. Т.И. Трофимова «Физика от А до Я» М. Кнорус,2016.
4. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. –20-е изд., стереотип. – М.: Наука, 1979 г.
5. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М: Академия, 2007 - 560 с.
Приложения
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение №4
Приложение №5