Удивительные свойства жидкостей

МБОУ Старо-Шудьинская основная общеобразовательная школа

Удивительные свойства жидкостей

Выполнил: Кузнецов

Борис Александрович

ученик 8-го класса

Руководитель: Салякудинова

Гульфинур Зиннатовна,

учитель физики

1

Содержание

1. Введение.

2. Обзор литературы.

3. Удивительные свойства жидкостей.

4. Выводы.

5. Список литературы.

2

1. Введение.

По физике в 7-ом и 8-ом классах мы изучили о многих свойствах жидкостей. Жидкости имеют объём и сохраняют свой объём, определённой формы не имеют, а приобретают форму сосуда. Жидкости мало сжимаемы, обладают свойствами текучести, вязкости. Жидкости или смачивают или не смачивают ту поверхность, с которой они соприкасаются. Мы также изучили физические явления, основанные на свойствах жидкостей: явления испарения, отвердевания, кипения. Меня заинтересовал вопрос: а ещё какими свойствами обладают жидкости? Изучая разную литературу, я узнал, оказывается, жидкости обладают свойством изменять свою свободную поверхность. Кроме того на поверхностном слое жидкостей возникает особая сила, так называемая сила поверхностного натяжения. Что все жидкости имеют свободную поверхность это просто и понятно. А в каких условиях и как проявляется свойство изменения свободной поверхности, мне было непонятно. Я решил изучить это явление подробнее

Цель моей работы – изучить, в каких конкретных условиях и как проявляется свойство жидкостей изменять свою свободную поверхность и от каких величин зависит поверхностное натяжение.

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.

2. Подобрать 5-6 несложных опытов, подтверждающих свойство жидкостей изменять свободную поверхность.

3. Выяснить от каких величин зависит поверхностное натяжение.

3

2. Обзор литературы.

Мною был изучен ряд литературы, в которых раскрывается сущность явления свойства жидкостей иметь свободную поверхность и изменять её. Повторил по курсу физики 7-8 классов основные свойства жидкостей. Воспользовался Интернет ресурсами, чтобы подобрать материал для постановки опытов.

По физике мы изучили о многих свойствах жидкостей. Жидкости имеют объём и сохраняют свой объём, определённой формы не имеют, а приобретают форму сосуда. Жидкости мало сжимаемы, обладают свойствами текучести, вязкости. Жидкости или смачивают или не смачивают ту поверхность, с которой они соприкасаются. Мы также изучили физические явления, основанные на свойствах жидкостей: явления испарения, отвердевания, кипения.

Основным отличием жидкостей от твёрдых (упругих) тел является подвижность, т.е текучесть. Благодаря своей подвижности жидкости, в отличии от упругих тел, не обнаруживают сопротивления изменению формы. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя одна относительно другой. Поэтому, если на поверхность жидкости действуют силы, то равновесие жидкости всегда нарушается и она приводит в движение, как бы малы эти силы ни были. Достаточно, например, подуть на поверхность воды в тазике, чтобы вызвать её движение. Вода в реке рябит при малейшем ветерке.

Подвижностью жидкости объясняется то, что свободная поверхность жидкости, находящейся в равновесии под действием силы тяжести, всегда горизонтальна. В самом деле, если бы, например, поверхность покоящейся жидкости была бы расположена под углом к горизонту, то частицы жидкости вблизи поверхности соскальзывали бы вдоль неё вниз под действием силы тяжести, как по наклонной плоскости. Такое движение продолжалось бы, пока поверхность жидкости не сделалась бы горизонтальной.

Заметим, однако, что свободная поверхность жидкости, налитой в сосуд, несколько искривлена вблизи стенок. Это легко обнаружить, рассматривая отражение предметов от поверхности воды, налитой в чашу. Это искривление вызывается силами, действующими между жидкостью и стенками , и сказывается лишь в их непосредственной близости.

Как ведёт себя свободная поверхность жидкостей в различных случаях?

4

3. Удивительные свойства жидкостей

Опыт 1. Очень наглядно стремление жидкости уменьшить свою поверхность проявляется в случае тонкой струйки вязкой жидкости, стекающей вниз. Можно наблюдать, например, как струйка стекающего мёда, если она почему-либо начинает слишком утончаться, внезапно прерывается и поднимается вверх, образуя на конце круглую каплю, и тем уменьшает свою свободную поверхность (рис. 1).

Опыт 2. Хорошо видно стремление уменьшить свободную поверхность у плёнки, например, у мыльной. Я изготовил из металлической проволоки колечко с ручкой, примерно диаметром 10см (рис2). Образовал мыльную плёнку на колечке с ниткой (рис. 3). Мыльную воду я приготовил с помощью моющего средства. Пока плёнка цела по обе стороны нитки, нитка имеет ту форму, которую она случайно приняла при образовании плёнки (рис.4). Если уничтожить плёнку по одну сторону нитки, то мыльная плёнка по другую сторону тотчас уменьшает свою поверхность и натягивает нитку (рис.4).

Опыт 3. Нам с детства известно, что мыльные пузыри имеют форму шара (рис. 5, 6).. Шарообразная форма мыльных пузырей тоже объясняется стремлением мыльной плёнки сократить свою поверхность до наименьших возможных размеров. Наименьшую поверхность имеет именно шар.

Опыт 4. Пустим мыльные пузыри на поверхность стола или стеклянной пластинки. Видно, что та поверхность, которая не соприкасается с поверхностью стола пластинкой, приобретает выпуклую форму (полушар или сфера). Здесь также проявляется свойство стремление мыльной плёнки иметь наименьшую поверхность (рис 7 и 8).

Опыт 5. Если пустить мыльные пузыри на поверхность чисто шерстяной кусок ткани, то можно наблюдать очень увлекательную картину: пузырьки подпрыгивают от ткани. При этом сохраняется шарообразная форма пузырьков.

Тем же уменьшением поверхности жидкости при установлении равновесия объясняется и слипание мокрых волос: при слипшихся волосах облекающая их вода имеет меньшую поверхность, чем при раздельном расположении волос.

Все эти несложные опыты, поставленные мною, наглядно доказывают, что жидкости, в самом деле, стремятся уменьшать свободную поверхность до наименьших размеров. Такие же явления можно наблюдать на границе двух несмешивающихся жидкостей.

5

Опыт 6. Нальём в сосуд воду и выпустим туда же из пипетки множество мелких капель растительного масла (рис.9). Мы увидим, как эти капельки будут сливаться одна с другой и, наконец, образуют одну крупную каплю, поверхность которой меньше, чем сумма поверхностей множества мелких капель (рис. 10 и 11).

Мы с детства знаем, что «куличики» можно построить из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но также не пристают друг к другу песчинки, целиком погружённые в воду. Когда во время купанья человек окунется с головой в воду, его волосы расходятся в воде во все стороны, но стоит только высунуть голову из воды, как волосы тот час лягут на голове слипшимися слоями.

Чем это объяснить? Слипание песчинок и волос объясняется действием сил сцепления молекул воды, облекающей песчинки или волосы.

Рассмотрим, почему силы сцепления не проявляют своего действия, когда песчинки или волосы находятся под водой. Сравним состояние молекул жидкости, находящейся вблизи границы жидкости и газа, с состоянием молекулы, находящейся вдали от этой границы, внутри жидкости. Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон. Молекулу же, находящуюся на границе с воздухом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны, со стороны же воздуха молекул почти нет.

Притяжение, испытываемое молекулой со стороны соседних, в случае «внутренних» молекул взаимно уравновешиваются. Для молекул, расположенных у поверхности, сложение всех сил даёт равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Поэтому, для того чтобы перевести молекулу из внутренних слоёв к поверхности, надо совершить работу против указанной равнодействующей силы. Значит, каждая молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, обладает некоторым избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Чем больше поверхность жидкости, тем больше число молекул обладает этой избыточной энергией. Следовательно, при увеличении поверхности данной массы жидкости, энергия жидкости увеличивается. Это – один из случаев изменения внутренней энергии тел. В этом случае энергия пропорциональна размерам поверхности, и поэтому её называют поверхностной энергией. Эта энергия, приходящаяся на единицу поверхности жидкости, называется поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение жидкостей зависит только от природы жидкости и от её температуры. Оно никак не зависит от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась эта поверхность предварительно растягиванию или нет.

6

Поверхностный слой нельзя уподоблять тонкой упругой плёнке, например резиновой плёнке. При растягивании резиновой плёнки по мере увеличения её поверхности растягивающая сила становится всё больше и больше. При увеличении поверхности жидкости ничего подобного не происходит.

Если жидкость химически не чистая, то это приводит к изменению поверхностного натяжения.

Опыт 7. Изменение поверхностного натяжения можно наблюдать так. Насыпаем на поверхность воды какой-нибудь плавающий на её поверхности порошок, например, тальк. Таким способом мы сделаем заметными перемещения поверхностного слоя воды (рис12). Теперь коснёмся поверхности воды спичкой. Поверхностное натяжение не изменилось (рис 13). А теперь смочим спичку мыльным раствором и опять коснёмся ею поверхности воды. Мы увидим, что порошок стремительно побежит от спички во все стороны (рис.14). Это показывает, что поверхностное натяжение раствора мыла меньше, чем поверхностное натяжение чистой воды.

То обстоятельство, что на поверхности воды образуется плёнка раствора мыла, а следовательно, молекулы воды уходят вглубь, означает, что силы, втягивающие молекулы воды внутрь, больше, чем силы, втягивающие молекулы мыла. Отсюда следует, что работа по вытягиванию молекул воды на поверхность больше. Значит, поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения раствора мыла.

Опыт 8. Жидкостные плёнки. Все знают, как легко получить пену из мыльной воды или из яичного белка. Из чистой же воды пена получается очень неустойчивой.

Пена – это множество пузырьков воздуха, ограниченных тончайшей плёнкой жидкости. Из жидкости, образующей пену, легко можно получить и отдельную плёнку. Эти плёнки очень интересны. Они могут быть чрезвычайно тонки: в наиболее тонких частях их толщина не превосходит стотысячной доли миллиметра. Несмотря на свою тонкость, они иногда очень устойчивы. Мыльную плёнку можно растягивать и деформировать (рис 15).

Сквозь мыльную плёнку может протекать струя воды, не разрушая её (рис. 16). Смоченный мыльной водой твёрдый шарик пролетает сквозь мыльную плёнку, оставляя её целой (рис. 17). В момент пролёта шарик, очевидно, обволакивается плёнкой с обеих сторон и затем отрывается, причём повреждённое место поверхности немедленно восстанавливается. Прежде всего, надо отметить, что устойчивые плёнки не могут образовываться в химически чистых жидкостях.

7

Непременным условием образования пены является прибавление к чистой жидкости растворяющихся в ней веществ и при том таких, которые сильно понижают поверхностное натяжение. Молекулы такого растворённого вещества собираются в поверхностном слое жидкости.

Какое это имеет значение для прочности плёнки, например, мыльной? Мыльная плёнка представляет собой тройной слой. В двух наружных слоях мы имеем воду, насыщенную молекулами веществ, входящих в состав мыла, в среднем слое – почти чистую воду.

Теперь представим себе, что плёнка по какой-нибудь причине в одном месте утончилась. Это поведёт к тому, что здесь обнажится внутренний слой почти чистой воды. Поверхностное натяжение этого слоя, как мы знаем, больше. Вследствие большого поверхностного натяжения утончившееся место плёнки потянет в свою сторону жидкость из других, более толстых частей. Этим будет вновь достигнута одинаковая толщина плёнки на всём протяжении, и опасность разрыва плёнки исчезнет.

Опыт 9. Насыпаем на поверхность воды тальк, поднесём к ней накалённый металлический стержень. От этого прогреется поверхность воды, причём больше всего в непосредственной близости к нагретому стержню. Хорошо видно, как тальк разбегается от нагретого стержня. Этот опыт наглядно подтверждает, что с повышением температуры поверхностное натяжение воды уменьшается.

8

4. Выводы

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Свойство жидкостей изменять свободную поверхность до наименьших размеров, т.е до шарообразной формы подтверждается опытным путём. Эти опыты несложные и очень занимательные. Их можно включить во внеурочную деятельность по физике.

2. Данное свойство находит широкое применение, как в самой природе, так и в быту и производстве.

3. Сила поверхностного натяжения жидкостей зависит только от природы

жидкости и температуры. Поверхностное натяжение жидкости очень легко изменить.

9

5. Список литературы:

1. Интернет ресурсы.

2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Учебное пособие. Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

3. Майер В.В. Простые опыты со струями и звуком. М.: Наука, 1985

4. Ола Франсуа. Занимательные опыты и эксперименты. М.: «Айрис-пресс», 2006.

5. Пёрышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.

6. Пёрышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.