V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Физика мыльного пузыря

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Дикарев А.Н. 1

---

1ГБОУ СОШ пос. Кинельский

Костина Л.В. 1

---

1ГБОУ СОш пос. Кинельский

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

«Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него:

вы можете заниматься всю жизнь его изучением,

не переставая извлекать из него уроки физики».

лорд Кельвин

И действительно, красота мыльных пузырей завораживает. Переливающиеся пузыри позволяют ощутить в воздухе присутствие магии, повышают настроение и сохраняет в памяти что - то светлое. Мыльные пузыри завоевывают и детские, и взрослые сердца, объединяясь с музыкой и светом. А как эффектны трюки с пузырями: гигантские мыльные пузыри, пузырь в пузыре, человек в пузыре, дождь из пузырей, фейерверк из пузырей и многие другие. Прекрасное, радужное и сказочное шоу из мыльных пузырей может украсить любой праздник. А ведь внешняя привлекательность мыльного пузыря определена законами физикижидкостей и физической оптики.

Проблема заключается в том, мы не задумываемся над тем, почему тела обладают определенными свойствами, как объяснить те или иные явления. При изучении природы мыльных пузырей выяснилось, что знаний по данной теме недостаточно, что на изучение свойств жидкостей, и связанных с ними явлений, в школьном курсе отведено недостаточно времени.

Актуальность исследовательской работы заключается в том, чтобы изучая свойства «мыльного пузыря», углубить свои знания по предмету и окунуться в интересный мир физики.

Цели работы: Изучить и объяснить структуру, форму, радужную окраску, время «жизни» мыльного пузыря, основываясь на свойствах сил поверхностного натяжения, их зависимости от состава раствора жидкости, интерференции света в тонких пленках.

Задачи исследования:

1. Изучить научную литературу по теме исследования.

2. Провести исследования по изучению зависимости сил поверхностного натяжения от состава жидкости.

3. Провести опыты с мыльными пузырями и пленками,и проанализировать полученные результаты на основе теории сил поверхностного натяжения, интерференции света.

4. Сделать оборудование для проведения опытов и показа «шоу» мыльных пузырей на открытом родительском собрании «Радуга талантов – 2018».

Объект исследования:водные и мыльные пузыри, сила поверхностного натяжения,интерференция света в тонких пленках.

Предмет исследования: свойства сил поверхностного натяжения воды и мыльных растворов, принцип образования радужной окраски мыльных пузырей.

Методы исследования: изучение теоретических основ темы,наблюдение, сравнение полученных значений с теоретическими утверждениями, лабораторные опыты, моделирование мыльных пленок и пузырей, фотографирование, анализ результатов.

Теоретическая значимость работы заключается в анализе литературы и углубленного изучения вопросов молекулярной физики, свойств жидкостей, волновых свойств света.

Практическая значимость обусловлена тем, что полученные результаты исследования позволят понять природу сил поверхностного натяжения, интерференции света, повысить интерес к изучению физики и применить их для показа «шоу» мыльных пузырей на празднике.

Гипотеза исследования заключается в том, что силы поверхностного натяжения жидкости определяют форму, размеры, время «жизни» мыльного пузыря и зависят от состава жидкости, радужная окраска мыльных пузырей объясняется интерференцией света в тонких пленках.

Ожидаемый результат: использование результатов работы помогут понять природу сил поверхностного натяжения, объяснить окраску мыльных пузырей и создать оптимальный состав мыльного раствора жидкости для выступления на мероприятии.

Анализ литературы по проблеме исследования.

Чарльз Бойс в книге «Мыльные пузыри», говорит, что выдувать мыльные пузыри - это вовсе не пустая забава, а способ наблюдать множество любопытных явлений, объяснить которые бывает не так-то просто.

Интересные факты из истории мыльных пузырей можно узнать в статье «Поверхностное натяжение мыльного пузыря».

В статье из сети Интернет «Лиловый, красный, синий, зеленый, желтый цвет» мыльный пузырь рассматривается с точки зрения сил поверхностного натяжения, описывается состав мыльного раствора для создания пузырей.

«Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?» - на этот вопрос отвечает

одноименная статья, где доказывается теорема Линделефа, из которой следует, что мыльный пузырь будет принимать форму сферы.

Статья «Поверхностное натяжение» посвящена свойствам сил поверхностного натяжения, коэффициенту поверхностного натяжения.

А в статье «Способ получения мыльных растворов» говорится о том, как сделать качественный раствор для мыльных пузырей, в том числе и гигантских.

Теоретическое обоснование образования цветных полос на тонких пленках дается в статье «Интерференция в тонких пленках».

В сети Интернет на сайте «Википедия» можно познакомиться с основными понятиями, которые использовались в данной работе: поверхностное натяжение, коэффициент поверхностного натяжения, поверхностная энергия, сила поверхностного натяжения, поверхностно-активные вещества, физика жидкостей, физическая оптика и другие.

Описание понятийного аппарата

Коэффициент поверхностного натяжения - это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Мыльный пузырь - тонкая многослойная плёнка мыльнойводы, наполненная воздухом в виде сферы с переливчатой поверхностью.

Поверхностная энергия - это избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости.

Поверхностно-активные вещества(ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности разделатермодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение - стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, т.е. уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Сила поверхностного натяжения - сила, направленная по касательной к поверхности к жидкости, перпендикулярно участку контура, ограничивающего поверхность, в сторону ее сокращения.

Физика жидкостей (физика жидкого состояния вещества) - раздел физики, в котором изучаются механические и физические свойства жидкостей.

Физическая оптика - раздел оптики, изучающий оптические явления, выходящие за рамки изучения геометрической оптики (дифракция, интерференция света, поляризационныеэффекты, а также эффекты, связанные с распространением электромагнитных волн в нелинейных и анизотропных средах).

Основная часть.

Силы поверхностного натяжения и интерференция света в мыльных пузырях

1. Интересные факты из истории мыльных пузырей

День рождения мыльного пузыря остаётся загадкой, но известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри. В 19 веке выпускались открытки с изображением мальчика, пускающего пузыри.Мыльные пузыри были не только детской забавой, но и объектом для размышлений философов о смысле жизни.

Интересовали они и серьёзных ученых. Объяснить природу мыльных пузырей пытались многие.Первым, кто описал влияние масла на поверхность воды был Плиниус Старший в Древнем Риме (23-79 н. э. ).Впервые понятие поверхностного натяжения ввел Я. А.Сегнер в 1752 году. В XIX в. на основе представления о поверхностном натяжении П.Лаплас,С.Пуассон, К.Гаусс и др.описали математическую теорию капиллярных явлений, аД. У. Гиббс изучил роль поверхностного натяжения в термодинамической теории поверхностных явлений.В XX веке И.Ленгмюр, П.А.Ребиндер, A.H.Фрумкнн разрабатывали методы регулирования поверхностного натяжения с помощью ПАВ и электрокапиллярных эффектов. Исследования сил поверхностного натяжения с помощью мыльных плёнок помогли изучить законы действия сил сцепления между частицами, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли.

Окраска мыльных пузырей натолкнула физика Томаса Юнга на открытие явления интерференции в тонких пленках и подтверждение волновой природы света.

Не оставляют равнодушными мыльные пузыри и в 21 веке, являясь одним из самых зрелищных шоу.Мыльные пузыри попали в Книгу рекордов Гиннеса. Так, в 1996 году Алан Маккей пустил мыльный пузырь длиной 32 метра, а в 1997году Фен Янг соорудил самую большую в мире стену из мыльных пузырей высотой около 48 метров и площадью 370 м². В 2007 году Сем Хист разместил в мыльном пузыре высотой 1,5 метра и шириной 3,3 метра 50 человек.

2.Физические основы мыльного пузыря

А) Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях

Жидкость, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита, поэтому между жидкостью и газом образуется граница раздела, которая находится в «особых» условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

Рассмотрим две молекулы A и B. Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности (рис. 1). Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силымежмолекулярного взаимодействия, действующие на молекулу A со стороны других молекул, скомпенсированы и их равнодействующая равна нулю.

Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых ниже, чем концентрация молекул жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу B действует больше молекул, чем со стороны газа, поэтому равнодействующая всех межмолекулярных сил не равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости. Происходит уменьшение расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. При этом между молекулами возникают силы отталкивания.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.

A =σ·ΔS.

А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая зависит от площади поверхности. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

E_пов. =σ S

где E_пов поверхностная энергия жидкости, S - площадь свободной поверхности жидкости, σ - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м).

Б)Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ зависит:

1) от природы жидкости (у «летучих жидкостей» таких, как эфир, спирт, бензин, коэффициент поверхностного натяжения меньше, чем у «нелетучих» – воды, ртути);

2) от температуры жидкости (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение);

3) от свойств газа, который граничит с данной жидкостью;

4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок, которые уменьшают поверхностное натяжение.

Коэффициент поверхностного натяженияможно определить и как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости:

F_пов. =σ l

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Разница в том, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, деформации, а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых, например, водомерки, по поверхности водоемов (рис.2). Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая ее площадь, а сила поверхностного натяжения стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести.

В) Естественная форма жидкости - форма сферы

Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, либо же принимает форму сосуда, в котором находится.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как, например, капля воды, мыльный пузырь. Также будет вести себя вода в невесомости.

По теореме, которая была доказана в 1869 году Л. Линделёфом, имеем: «Среди всех выпуклых многогранников трёхмерного евклидова пространства с данными направлениями граней и с данным объемом наименьшую площадь поверхности имеет многогранник, описанный вокруг шара».

Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление P.

Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2πR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь πR² сечения.

Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше.

Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде: 2R = РR², где - коэффициент поверхностного натяжения.

Чтобы система находилась в равновесии, она должна иметь минимальное значение ее потенциальной энергии. Поэтому, вследствие поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму с минимальной поверхностью. А по теореме Линделёфа следует, что мыльный пузырь будет принимать форму сферы.

Г) Структура мыльного пузыря

Рассмотрим изменения сил поверхностного натяжения на примере пузырей.

Пузырь - пленка воды, наполненная воздухом. Пузырь можно сделать из воды и мыльных растворов воды.

Водные пузыри недолговечны и быстро лопаются из-за больших сил поверхностного натяжения –0,073 Н/м при температуре 20⁰С. Примером водных пузырей являются пузыри, образованные крупными каплями дождя. Пузыри образуются за счет поверхностного натяжения воды. Струи воды захватывают воздух и увлекают его за собой. Пузырьки воздуха оказываются под водой, которая не позволяет им вырваться наружу. Образуется воздушный пузырь, обтянутый тонкой пленкой молекул воды. Пленка воды сильно давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух сопротивляется и прорывает пленку. Пузырь лопается.

Наличие примесей в жидкости приводит к изменению сил поверхностного натяжения. При растворении сахара в воде поверхностное натяжение увеличивается. А вот поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем воды.

Плёнка мыльного пузыря состоит из трех слоев: тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул мыла. Эти слои состоят из двух частей, защищающих воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхность натяжения.

Для устойчивого равновесия пленки силы поверхностного натяжения увеличиваются с высотой. Чем выше участок пленки, тем большую массу пленки внизу ему приходится удерживать. Молекулы мыла расположены упорядоченно и перпендикулярно водной поверхности, так что напоминают «частокол». Мыльная пленка имеет два таких «частокола». При раздувании она растягивается, плотность молекул поверхностно-активного вещества на поверхности уменьшается, но тут же стремится восстановиться благодаря «притоку» все новых молекул из объема пленки. Когда мыльная пленка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, уменьшая при этом поверхностное натяжение раствора мыладо0,040 Н/м при температуре 20⁰С.

Толщина стенки мыльного пузыря в 5000 раз меньше толщины волос. При увеличениив 40 000 раз человеческий волос имеет толщину свыше 2 м, мыльный пузырь будет виден в виде тонкой линии.

Кроме этого, коэффициент поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры, а поэтомумыльный пузырьраздувается, попадая из холодной комнаты в теплую, и наоборот. Причина кроется в сжатии и расширении воздуха, заключенного внутри пузыря. Если, например, на морозе в –15 ⁰С объем пузыря равен 1000 см³ и он с мороза попал в помещение + 15 ⁰С, то он должен увеличится в объеме примерно на 110 см³. (1000 · 30 · 1/273 = 110см³)

Д) Радужная окраска мыльного пузыря

Мыльные пузыри окрашиваются в цвета радуги. Переливчатые «радужные» картинки мыльных пузырей объясняются интерференцией света и зависят от толщины мыльной плёнки.

Когда луч света падает на тонкую плёнку пузыря, часть луча отражается от внешней поверхности пузыря, а часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Таким образом, образуются два отраженных луча, которые складываются по правилам интерференции: некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки.

Из-за испарения водыплёнка становится тоньше, поэтому происходит изменение цвета пузыря. Толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно можно наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз. Более толстая плёнка пузыря имеет оттенок сине-зелёногоотражённогосвета. Более тонкая плёнка убирает жёлтый, оставляя синий свет, потом – зелёный, оставляя пурпурный, и затем – синий, оставляя золотисто-жёлтый. Когда стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света будут складываться в противофазе, и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Толщина стенки мыльного пузыря при этом становится меньше 25 нм, и пузырь лопается.

Эффект интерференции зависит еще и от угла, под которым луч света падает на плёнку пузыря.

4. Результаты исследования и их анализ

А)Подтверждение теоретических знаний результатами опытов

Цель исследования: структуру, форму, радужную окраску, время «жизни» мыльного пузыря, объяснить результаты опытов, основываясь на свойствах сил поверхностного натяжения, их зависимости от состава раствора жидкости, интерференции света в тонких пленках.

Оборудование: петли разной формы, вода, мыльный раствор, плоские и объемные фигуры из проволоки

Ход работы:

Б) Создание пузырей – гигантов.

Цель работы: получить качественный раствор для получения мыльных пузырей больших размеров

Оборудование: Вода – 200 г., жидкость для мытья посуды – 100г., глицерин 100г., петля диаметром 20 см.

Ход работы: 1. Смешиваем воду, жидкость для мытья посуды, глицерин. Полученную смесь выливаем в плоскую посуду.

2.Самодельную петлю опускаем в плоскую посуду и резко поднимаем ее вверх. Получаются вот такие пузыри – гиганты.

Вывод: качество мыльных пузырей напрямую зависит от количества вводимого глицерина.

Заключение

Целью данной исследовательской работы было изучить и объяснить структуру, форму, радужную окраску, время «жизни» мыльного пузыря, основываясь на свойствах сил поверхностного натяжения, их зависимости от состава раствора жидкости, интерференции света в тонких пленках.

Для достижения цели нами были решены поставленные задачи. Мы изучили литературу по данной тематике, провели сравнительный анализ, выяснили, как описывается мыльный пузырь с точки зрения физики.

Результаты работы по теме показали, что

- структуру, форму, размеры, время «жизни» мыльного пузыря можно объяснить с помощьюповерхностного натяжения жидкости;

- радужную окраску объясняет интерференция света в тонких пленках;

- появиласьпотребность изучать и объяснять явления природы с помощью законов физики.

Полученные выводы подтверждают нашу гипотезу. Мыльный пузырь – это не только красиво и увлекательно, но и интересно.

Библиография

1. Вернон Бойс Чарльз «Мыльные пузыри», М: Вузовская книга, 2014г.

2. «Интерференция в тонких пленках», http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/

3. «Лиловый, красный, синий, зеленый, желтый цвет», http://pandia.ru/text/80/069/42312-5.php

4. «Поверхностное натяжение», http://help-in-health.ru/

5. «Поверхностное натяжение мыльного пузыря», http://www.microarticles.ru/article/natjazhenie-milnogo.html

6. «Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?» http://www.afizika.ru/svojstvazhidkostejgazov/95-estestvennayaformazhidkosti

7. «Теория поверхностного натяжения», http://worldofschool.ru/

8. «Состав для мыльных пузырей», http://www.happy-kids.ru/page.php?id=426

Приложение 1.

Результаты опытов, доказывающие теорему Л. Линделёфа

Приложение 2.

Результаты опытов, доказывающие минимизацию поверхности жидкости,

полученные с помощью проволочных фигур

Приложение 3

Результаты опытов, подтверждающие недолговечность водных пузырей

Приложение 4

Изменение времени «жизни» мыльной пленки в зависимости от состава жидкости

Приложение 5

Изменения размеров мыльного пузыря в зависимости от состава жидкости

Приложение 6

Движение полосы синего цвета вниз под действием сил гравитации

Приложение 7

Зависимость цвета мыльной пленки от ее толщины