XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Поверхностное натяжение воды
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Есть в окружающем нас мире сила, на которую никто обычно не обращает внимания. Вы, когда ни будь задумывались, почему волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды (рис.1). А в детстве все строили куличики из песка, но их можно построить только из мокрого песка, потому что сухие песчинки не прилипают друг к другу. Все это сила поверхностного натяжения. Она не так широко известна, но своей работой я хочу показать, что эта сила важна и многие обычные для нас действия сопровождаются действием этой силы - силой поверхностного натяжения. Она играет большую роль в окружающем нас мире.
Так я выбрал тему исследовательской работы «Поверхностное натяжение воды».
Для того чтобы выяснить, что ребята слышали о поверхностном натяжении воды, я провел опрос среди учащихся 6 классов посредством анкетирования.
В опросе приняли участие 52 ученика 6 классов. Результаты анкетирования представлены в виде диаграммы. Им были заданы следующие вопросы:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3 . не знаю
1. Знаете ли вы почему некоторые насекомые не тонут, когда бегают по поверности воды?
1. 4
2. 48
2. Вы, когда либо, слышали про поверхностное натяжение воды?
1. 6
2. 46
3. Как вы думаете, поверхностное натяжение воды может измениться или оно всегда постоянное?
1. 0
2. 2
3. 50
4. Может ли вода стоять горкой?
1. 2
2. 40
3. 10
Результаты анкетирования показывают: мои одноклассники никогда не слышали про поверхностное натяжение воды и ничего не знают об этом явлении.
Актуальность выбранной темы. Знания по физике нужны не только для изобретения каких-либо сложных механизмов. Интересуясь физикой с малых лет, возможно я и не стану ученным физиком, но совершенно точно, что полученные знания пригодятся мне в дальнейшей жизни. Сила поверхностного натяжения, не так широко известна, как сила всемирного тяготения или сила трения, но своей работой я хочу показать, что эта сила не менее значима и многие обычные для нас действия сопровождаются действием этой силы - силой поверхностного натяжения. Она играет большую роль в окружающем нас мире.
Цель: изучить возможность изменения поверхностного натяжение воды.
Для достижения поставленной цели я поставил перед собой следующие задачи:
1. Изучить материал по данной теме (интернет ресурсы, литература).
2. Узнать про поверхностное натяжение воды.
3. Изучить применение поверхностного натяжения, его значение в окружающем нас мире.
4. Провести анкетирование среди учеников 6 классов и узнать, что знают ученики о поверхностном натяжении воды.
5. Рассказать о силе поверхностного натяжения и показать опыты ученикам в школе.
6. Провести повторный опрос.
9. Сравнить полученные результаты.
Объект исследования: поверхностное натяжение жидкости.
Предмет исследования: возможность изменения поверхностного натяжения
Гипотеза исследования: предполагаю, что поверхностное натяжение воды возможно изменить в домашних условиях.
Срок реализации: сентябрь - декабрь
Методы исследования:
1. Изучение литературы и интернет ресурсов.
2. Проведение опроса среди одноклассников.
3. Сравнение результатов анкетирования.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что теперь ребята 6 классов узнали о поверхностном натяжении воды. Результаты моей работы могут быть использованы на классных часах.
Практическая значимость работы заключается в том, что благодаря ей можно расширить знания не только в области физики, а также узнать о применение поверхностного натяжения в нашей жизни. Можно узнать много нового об окружающем нас мире.
Основная часть
Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой. Молекулы на поверхности жидкости притягиваются, образуя тончайшую упругую пленку. Такое свойство воды называется поверхностным натяжением. Этим объясняется, например, способность водомерки скользить по водной глади пруда (рис.2) [3].
1.1 Понятие и характеристики поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение – одно из самых интересных свойств воды. Это сила взаимного притяжения между молекулами жидкости. Поверхностное натяжение можно измерить. Единицей измерения является дин/см.
Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое (рис.3) [4].
Проще говоря, поверхностное натяжение - это стремление молекул жидкости больше притягиваться друг к другу на поверхности жидкости, чем к воздуху над ней. Это притяжение молекул друг к другу известно, как межмолекулярная сила. В любом жидком веществе молекулы находятся в постоянном случайном движении и постоянно перестраиваются. Посреди жидкости все молекулы притягиваются другими молекулами во всех направлениях. Однако на поверхности, где над жидкостью находится только воздух, молекулы притягиваются только сбоку и вниз молекулами, расположенными рядом и под ними, соответственно.
1.2 От чего зависит поверхностное натяжения жидкости
Поверхностное натяжение жидкости зависит:
от природы жидкости (у летучих жидкостей, таких как спирт, бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у не летучих: вода, ртуть, жидкие металлы);
температуры жидкости (чем больше температура, тем меньше натяжение);
свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение [6].
Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения [5].
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания [5].
1.3 Поверхностное натяжения в жизни
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день (рис.4):
капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной̆ (а в невесомости они совсем шарообразные);
струя воды из-под крана стремится к цилиндрической̆ форме;
булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
все дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но также не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду;
во время уроков рисования каждый из нас не раз замечал, что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды [2];
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 [1].
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 [1].
Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно “носить воду в решете” [1].
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. 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. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности [1].
Поверхностное натяжение используется в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например, ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в контейнер, в котором они принемают окончательную форму.
В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели - не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин после высыхания.
Практическая часть
В домашних условиях я решил определить поверхностное натяжение воды. Я узнал, что методов определения поверхностного натяжения существует достаточно много: метод капель, метод проволочной рамки, метод пузырька, метод пробирки, опыт Плато и др.
Метод пузырька
Выдую мыльный пузырь и посмотрю на него (рис.5). 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 очень мала. 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.
Метод проволочной рамки.
Я взял проволочный четырехугольный каркас и соединил его противоположные стороны тонкой ненатянутой нитью (рис.6). Опустив каркас в мыльную воду (рис.7), я заметил, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити (рис.8), я увидел, что нить принимает форму дуги (рис.9). Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается. Свойство поверхности жидкости сокращаться 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.
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 (рис. 10).
Эксперименты с водой
Эксперимент 1. Как налить воду с горкой?
Мне потребуется: прозрачный стакан; монеты; вода; растительное масло. Я взял хорошо вымытый сухой стакан, немного смажем края растительным маслом и наполним его водой до отказа. А теперь аккуратно опускаем в стакан по одной монете. Когда я начал опускать монеты в стакан вода из него не выливается, а начала понемногу приподнимается, образуя горку (рис.11, рис.12). Это хорошо заметно, если посмотреть на стакан сбоку. По мере увеличения в стакане количества монет горка становится всё выше и выше - поверхность воды надувается, словно воздушный шарик. Однако на какой-то монете этот шарик лопает, и вода струйками течёт по стенкам стакана.
Как это объяснить? Монеты выталкивают собственный объём. Вода в стакане будет подниматься над поверхностью, но не выльется на стол, а поднимется горкой, своеобразной водяной линзой, над краями стакана. Что удерживает воду от того, чтобы не пролиться на стол? Это всё поверхностное натяжение воды. Эта сила возникает на границе веществ, в данном случае воды и воздуха. Из-за того, что жидкость не занимает весь свободный объём стакана между водой и воздухом образуется граница раздела, на которой молекулы поверхностного слоя воды притягиваются к молекулам жидкости. Проще говоря: молекулы поверхности воды притягиваются вглубь жидкости. Как следствие, поверхность воды чуть более плотная чем остальная её часть. Образуется своего рода «плёнка», которая не зависит от площади поверхности. Вторая причина образования горки - вода плохо смачивает поверхность стакана. Что это значит? Взаимодействуя с твёрдой поверхностью, вода плохо к ней прилипает и плохо растекается. Именно поэтому она не стекает сразу же через край стакана при образовании горки. Кроме того, для уменьшения смачивания края стакана в опыте смазаны растительным маслом.
Эксперимент 2. Не тонущая скрепка.
В этом эксперименте я увидел, как вода удерживает металлические предметы, которые тяжелее ее.
Я взял скрепки и положил их плашмя на воду, и увидел, что благодаря поверхностному натяжению воды скрепки не тонут (рис.13).
Эксперимент 5. У разных жидкостей разное поверхностное натяжение.
Я увидел, что если положить скрепки на воду, то они не тонут. А как насчет других жидкостей? У них такое же поверхностное натяжение, как и у воды или другое? Я взял подсолнечное масло и попытался положить на его поверхность те же самые скрепки, но они не держались на поверхности, а тонули (рис.14). Получается, что поверхностное натяжение подсолнечного масла меньше, чем у воды.
Эксперимент 3. Возможно ли изменить поверхностное натяжение воды?
Меня заинтересовало, а возможно ли изменить поверхностное натяжение воды и если да, то как это сделать? Я узнал, что есть факторы, которые влияют на поверхностное натяжение воды. Получится ли в домашних условиях изменить поверхностное натяжение воды, погружая в нее различные вещества?
Я взял: молотый перец, миску с водой, кусочек мыла.
В миску, наполненную водой, аккуратно насыпал молотый перец. Взял кусочек мыла и погрузил концом в воду в центр. Наблюдаю за тем, что произойдёт с перцем. Перец тут же начал плыть от него к краям миски (рис.15 - рис.17).
Как же это объяснить? Оказывается, такое поведение перца обусловлено следующим: погружая в воду мыло, я тем самым изменял одно из важных свойств воды — силу поверхностного натяжения. Мыло сильно уменьшает поверхностное натяжение воды. Когда я касался кусочком мыла поверхности жидкости, оно растворялось и смешивалось с ней. Молекулы мыла проходят между молекулами воды и снижают их взаимное притяжение. Там, где я касался мылом воды, поверхностное натяжение нарушается. А поверхностное натяжение в других участках тянет перец по направлению к стенкам, прочь от мыла. После этого я насыпал в ложку соль и поместил ее в центр миски и увидел, что перец тут же начал плыть от краев миски к центру (рис.18 – рис.20). Получается, что соль увеличивает поверхностное натяжение воды.
Значит поверхностное натяжение воды возможно изменить, погружая в нее различные вещества.
Эксперимент 4. Стакан непроливайка.
Мы знаем, что если перевернуть стакан с водой, то вода из него выльется. Получится ли сделать так, чтобы при переворачивании вода не выливалась?
Я взял, стакан с водой, кусок марли и резинку.
Я взял марлю, надел ее на стакан с водой и закрепил ее с помощью резинки. Дальше аккуратно переворачиваю стакан с водой, для этого я закрываю его ладошкой и переворачиваю. Теперь аккуратно убираю руку. Благодаря поверхностному натяжению вода осталась в стакане (рис.21, рис.22). Молекулы воды запечатали отверстия в марле, и вода не вытекала. Но при малейшем бурном шевелении или бурном движении поверхностное натяжение разрушается, дырочки в марле открываются, и вода вытекает.
Заключение
Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой. Молекулы на поверхности жидкости притягиваются, образуя тончайшую упругую пленку. Такое свойство воды называется поверхностным натяжением. Этим объясняется, например, способность водомерки скользить по водной глади пруда.
Я узнал, что поверхностное натяжение – одно из самых интересных свойств воды. Это сила взаимного притяжения между молекулами жидкости.
В процессе исследования я выяснил, что поверхностное натяжение жидкости зависит от нескольких факторов: от природы жидкости; от температуры жидкости; свойств газа, который граничит с данной жидкостью; наличия поверхностно-активных веществ.
Я выяснил, что различные вещества изменяют поверхностное натяжение воды. И опытным путем убедился в этом.
Роль поверхностного натяжения в жизни также очень разнообразна. С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день.
Поставленная цель выполнена. Я познакомился с поверхностным натяжением воды. Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Выяснили, что можно бегать по воде (водомерки), носить воду в решете.
Таким образом, моя гипотеза о том, что поверхностное натяжение воды возможно изменить в домашних условиях, подтвердилась.
На классном часе я рассказал все то, что узнал сам (рис.23-рис.26), показал методы определения поверхностного натяжения и эксперименты с водой и после этого я провел повторный опрос и задал те же самые вопросы ученикам 6 классов.
Количество опрошенных 52 учащихся 6 классов.
Результаты анкетирования представлены в виде диаграмм:
Варианты ответов:
1. да
2. нет
3. не знаю
1. Знаете ли вы почему некоторые насекомые не тонут, когда бегают по поверхности воды?
1. 52
2. 0
2. Вы, когда либо, слышали про поверхностное натяжение воды?
1. 52
2. 0
3. Как вы думаете, поверхностное натяжение воды может измениться или оно всегда постоянное?
1. 51
2. 1
3. 0
4. Может ли вода стоять горкой?
1. 52
2. 0
3. 0
Далее мы сравнили результаты анкетирования и увидели, что теперь многие ребята знают о том, что такое поверхностное натяжение воды. Значит, я не зря провел столько работы по изучению поверхностного натяжения воды.
Выводы:
1. Я узнал, что такое поверхностное натяжение воды.
2. Узнал какова роль поверхностного натяжения в жизни.
3. Узнал, от чего зависит поверхностное натяжение жидкости и что его можно изменить.
4. Опытным путем убедился, что мыло понижают поверхностное натяжение воды, а сахар увеличивает его.
5. Опытным путем убедился, что поверхностное натяжение воды больше чем у подсолнечного масла.
6. Продемонстрировал эксперименты учащимся 6 классов.
Список использованных источников и литературы
1. Онлайн школа Skysmart. Поверхностное натяжение. https://skysmart.ru/articles/physics/poverhnostnoe-natyazhenie
2. Онлайн школа Skysmart
https://skysmart.ru/articles/physics/poverhnostnoe-natyazhenie
3. Перельман Я.И. «Знаете ли вы физику», ОНТИ.Л,1955.
4. Трофимова Т.И. «Физика от А до Я» М. Кнорус,2016
5. Теория поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения. Зависимость от температуры https://psihologic.ru/dysgraphia/teoriya-poverhnostnogo-natyazheniya-koefficient-poverhnostnogo/
6. Физика https://lc.rt.ru/classbook/fizika-10-klass/osnovy-termodinamiki/6181
Приложение
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис.9
Рис.10
Рис.11
Рис.12
Рис.13
Рис.14
Рис.15
Рис.16
Рис. 17
Рис.18
Рис.19
Рис.20
Рис.21
Рис.22
Рис.23
Рис.24
Рис.25
Рис.26