Проект "Силы поверхностного натяжения"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Васильевская основная общеобразовательная школа

Аннинского муниципального района

Воронежской области

Практико-ориентированная

исследовательская работа:

«Сила поверхностного натяжения»

Выполнил:

Некрытов Иван Андреевич

ученик 9 класса

Научный руководитель:

Сивчева Оксана Михайловна,

учитель физики

с. Васильевка

2017г.

Содержание

1. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 15

2. ПРИЛОЖЕНИЯ 16

1. Введение

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 делать, и выбранная мною тема не только актуальна для изучения, она дает возможность к такой успешной деятельности. 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.

Предмет исследования – жидкость (вода, мыльный раствор, молоко, масло растительное).

Методы исследования: теоретический - сбор информации, анализ, синтез, обобщение; 

экспериментальный – постановка вопроса, проектирование исследования, сбор данных, анализ результатов, выводы по эксперименту.

Цель: исследовать поверхностные явления в жидкостях и изучить существенные методы определения коэффициента поверхностного натяжения на границе «жидкость – воздух».

Задачи данной работы:

1. Изучить основы молекулярной физики, связанные с поверхностными явлениями в жидкостях.

2. Изучить применение поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.

3. Определить экспериментально коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель.

4. Сравнить полученные данные с табличными значениями.

5. Убедиться опытным путем в поверхностном натяжении воды.

2.Основная часть

2.1 Теоретическое обоснование силы поверхностного натяжения.

Такие силы, как тяготение, упругость и  трение, бросаются в глаза; мы ощущаем  их непосредственно каждый день. Но в окружающем нас мире повседневных явлений действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Все дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но так же не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду. Во время уроков рисования каждый из вас не раз замечал, что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды. Задумывался ли кто – то из вас, почему так происходит? Это силы поверхностного натяжения. Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения жидкостей в природе  и технике. Силы поверхностного натяжения определяют форму и свойства капель жидкости, мыльного пузыря. Эти силы удерживают на поверхности воды стальную иглу и насекомое водомерку, удерживают влагу на поверхности ткани. Разобраться в этом и является целью этой работы.
Совершенно очевидно, что внутри водяной капли существует какая-то сила притяжения, стягивающая все молекулы капли в единое целое. Сила, с которой молекулы притягиваются друг к другу, и придает капле округлую форму называется поверхностным натяжением. Она заставляет расположенные на поверхности жидкости молекулы плотнее прижиматься к внутренним молекулам. Таким образом, поверхность действует как пленка, которая стягивает всю массу капли в одно целое. 
          Пузырьки  в жидкости образуются тоже благодаря  поверхностному натяжению. Чтобы понять, как это получается, попробуем сами образовать пузырьки, пустив сильную струю из крана прямо в воду в ванне. Там, где вода вспенивается, возникают пузырьки. Однако они очень недолговечны и тут же лопаются. Стоит закрыть кран — и уже через несколько секунд пузырьки исчезают.
     Когда вода льется из крана, она смешивается  с воздухом и часть его уносит с собой. Потом она смешивается  с водой, уже налитой в ванну, неся с собой воздушные пузырьки-глобулы. Эти глобулы тотчас оказываются  под поверхностью воды, а падающая сверху струя отталкивает их во все  стороны. Постепенно пузырьки поднимаются  к поверхности неподалеку от того места, где падает струя.  
Поднимаясь, каждый из них натягивает поверхностную пленку, но не может ее разорвать из-за поверхностного натяжения. Вот так и образуются воздушные глобулы, покрытые тонкой пленкой молекул воды. 
   Первый  взгляд  на воду, налитую в стакан, подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в  который она налита. Поверхность  жидкости не зависит от формы сосуда; она представляет собой гладкую, как зеркало, плоскость. Впрочем, это  не совсем так. Форма поверхности  жидкости есть форма, концентричная  поверхности земного шара. Правда, чтобы подметить это, надо было бы иметь «стакан» слишком больших размеров. В обычных чашках поверхность налитой жидкости можно принимать за горизонтальную плоскость. Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – следствие поверхностного натяжения, причину которого мы скоро выясним.
Итак, наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности.  Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. 
  Любое реальное тело обладает поверхностью, которая  отделяет его от других тел. Это может  быть граница раздела двух несмешивающихся  жидкостей, стенки сосуда, поверхности  соприкосновения твердых тел  и т.п. Свободная поверхность жидкости или твердого тела является, по сути дела, границей раздела их с газообразной средой, в частности с парами или  воздухом. Поэтому следует говорить не просто о поверхностях тел, а о  поверхностях раздела двух сред или  фаз. Наличие таких поверхностей приводит к возникновению явлений  особого рода, называемых обычно поверхностными или капиллярными явлениями. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи поверхностей раздела.
    Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся  в особых условиях. Она имеют одинаковых с ними соседей только с одной  стороны поверхности, в отличие  от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами. Поэтому  результирующая сила, действующая на молекулу в поверхностном слое, отлична  от нуля. При перемещении молекулы с поверхности в объем жидкости совершается положительная работа. Это означает, что молекулы в поверхностном  слое обладают избыточной потенциальной  энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Разумеется, молекулы жидкости находятся в непрерывном тепловом движении – одни молекулы уходят с поверхности, другие, наоборот, попадают на нее. Но можно говорить о средней добавочной энергии поверхностного слоя жидкости – о поверхностной энергии, пропорциональной площади поверхности жидкости.
  Для извлечения молекул из внутренних частей жидкости на ее поверхность требуется совершить  работу. При этом размещение молекулы в поверхностном слое увеличивает  поверхность жидкости на конечную величину. Работа, затрачиваемая в таком процессе пропорциональна ΔS и записывается в виде: 
  А= σΔS.
Коэффициент пропорциональности σ представляет собой основную характеристику поверхности раздела, зависящую от природы сред и их теплового состояния. Называют его коэффициентом поверхностного натяжения. 
Таким образом, коэффициент  поверхностного натяжения  равен работе, необходимой  для увеличения площади  поверхности жидкости при постоянной температуре  на единицу. 
В СИ коэффициент  поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2). 
  Говоря  о величине σ, необходимо всегда указывать, к каким средам она относится. Работа служит мерой изменения энергии, в данном случае потенциальной, поскольку связана с взаимным расположением взаимодействующих молекул.   
 Из механики известно, что силы действуют так, чтобы привести систему в состояние  с наименьшей потенциальной энергией. И силы поверхностного натяжения  действуют так, чтобы энергия  поверхностного натяжения принимала  наименьшее возможное значение. Поэтому  поверхность раздела сред стремится  уменьшиться. «Стремление» поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях. Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не вполне точным. Собственная форма жидкости – шар. Из всех других геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Шар – наиболее емкая форма. 
  Коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Природы жидкости (у “летучих” жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у “нелетучих” – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

Статические методы: метод поднятия в капилляре, метод Вильгельми, метод лежачей капли, метод определения по форме висячей капли, метод вращающейся капли.

Динамические методы: метод отрыва кольца. метод счета капель, метод максимального давления пузырька. метод осциллирующей струи, метод стоячих волн.

Для исследования поверхностного натяжения жидкости воспользуемся способом счёта капель.

1. Определение силы поверхностного натяжения в жидкостях.

1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель.

Оборудование: весы, химический стакан, пипетка, вода, мыльный раствор, этиловый спирт, растительное масло, медицинский капилляр, штангенциркуль.

Цель работы: изучение явления поверхностного натяжения жидкости.

Ход работы: Коэффициент поверхностного натяжения определяют методом отсчёта капель.

1. Из капельницы накапать 100 капель жидкости.

2. При помощи весов определить массу жидкости.

3. Определить массу одной капли, m₁ = m/N/

4. По формуле  определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости, где диаметр капилляра = 0,002м.

Вывод: определили коэффициент поверхностного натяжения методом отсчёта капель.

1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель.

Оборудование: весы, химический стакан, пипетка, вода, мыльный раствор, этиловый спирт, растительное масло, медицинский капилляр, штангенциркуль.

Цель работы: изучение явления поверхностного натяжения жидкости.

Ход работы: Коэффициент поверхностного натяжения определяют методом отсчёта капель разных растворов.

Вывод: поверхностное натяжение жидкостей, находящихся в контакте с воздухом различно.

2.3 Занимательные опыты

Опыт1. Метод пузырька.

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 (Приложение 1)

Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем, чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря. Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки. Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырь от трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.

Опыт 2. Плавающая иголка

Приборы и материалы: Пинцет. Иголка. Стакан. Вода.

Ход опыта:

1. Наполним контейнер водой до краёв.

2. Пинцетом возьмём иглу и осторожно положим на поверхность воды в контейнере.

Результат: игла лежит на поверхности воды (Приложение 2).

Вывод. Молекулы на поверхности воды образуют плёнку, способную выдержать вес лёгкого тела. Это явление называется поверхностным натяжением.

Опыт 3. С оливковым маслом (опыт Плато)

Приборы и материалы: оливковое масло, ёмкость с водой и спиртом, пипетка.

Ход опыта:

1. Наполним ёмкость водой и спиртом так, чтобы жидкости не перемешивались.

2. Накапыть пипеткой масло в стакан.

Результат. Капля масла, медленно опускаясь, находится в ёмкости практически в невесомости (Приложение 3).

Вывод. Под действием сил поверхностного натяжения капля воды принимает форму шара

Опыт 4. Действие мыла на воду.

Приборы и материалы: тальк, вода, жидкое мыло, емкость.

Ход опыта:

1. Наполняем емкость водой.

2. Посыпаем поверхность воды тальком.

3. Пробуем проткнуть поверхность воды пальцем.

4. Обмакиваем палец в жидкое мыло, опускаем намыленный палец в воду недалеко от края ёмкости.

5.Протыкаем пальцем поверхность воды, покрытую тальком.

Результат. При первом погружении намыленного пальца тальк быстро удаляется от этого места. При последующих погружениях пальца в тальке остаются «дырки» (Приложение 4)

Вывод. Мыло уменьшает силу поверхностного натяжения в месте погружения пальца. На остальном пространстве поверхностное натяжение оказывается сильнее, оно притягивает и удерживает тальк. Дырки, оставленные мыльным пальцем, не затягиваются потому, что мыло препятствует притяжению молекул.

Опыт 5. «Заколдованная непроливайка».

Приборы и материалы: вода, емкость, монеты.

Ход опыта: Берем мелкие монеты (штук 30-40). Наливаем полный стакан воды и узнаем: сколько из этих монет можно опустить в стакан с водой, пока она не выльется? А теперь опускаем осторожно по одной монетке в стакан. Ну что? Сколько поместилось? А как при этом менялась форма поверхностного слоя воды? (Приложение 5)

Вывод: Поверхностное натяжение собирает воду. Если приглядеться, то видно, что мениск продолжает линию стенок стакана, возвышаясь дугой посередине. Поверхностное натяжение стремится заключить воду как бы в мешочек. Если воды совсем мало, то поверхностное натяжение придаёт ей форму шара – капли.

Опыт 6. «Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение мыльного раствора?»

Приборы и материалы: три зубочистки, жидкость для мытья посуды, миска с чистой водой.

Ход опыта:

1.Положили на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.

2.Смочили кончик третьей зубочистки в жидкости для мытья посуды (внимание: этой жидкости нужно совсем немного)

3.Окунули кончик третьей зубочистки в воду между двумя другими.

Вывод: две зубочистки быстро удаляются друг от друга, следовательно, поверхностное натяжение уменьшилось. Поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения мыльного раствора (Приложение 6).

3. 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.

4.Литература

1. Ковалева С.Я. Об исследовательской и проектной деятельности учащихся // Физика в школе. № 16. 2010.

2. Савенков А.И. Исследовательское обучение и проектирование в образовании // Исследовательская работа школьников, 2004..№ 1. 

3. Никифоров Г.Г. Фронтальный эксперимент при переходе к стандарту второго поколения: от обычной школы к цифровой // Физика в школе, №16. 2010.

4. Савенков А.И. Исследовательское обучение и проектирование в современном образовании // Исследовательская работа школьников. 2004. № 1. С. 22–31.

5. Развитие исследовательских способностей обучающихся // Первое сентября, 2015 .№11

6. Сёмке А.И. Практические работы по физике// Библиотечка «Первого сентября», серия «Физика»№22

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

13