Исследовательская работа по теме Поверхностное натяжение жидкости. Поверхностное натяжение. Районная научно исследовательская конференция школьников Первые шаги в науку
 Скачать 2.98 Mb.
|
|
Районная научно – исследовательская конференция школьников «Первые шаги в науку» Секция ФИЗИКИ Существует ли поверхностное натяжение жидкости? Автор: Калугин Андрей, 9 а класс МКОУ – ОСОШ №1 Научный руководитель: Кириллова Татьяна Владимировна, учитель физики, высшей квалификационной категории р.п. Ордынское, 2018 Оглавление Введение 3 – 4 стр. Основная часть 5 – 13 стр. Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях Силы поверхностного натяжения в природе и технике Опыты по исследованию поверхностного натяжения Заключение 14 стр. Список использованной литературы 15 стр. Введение Однажды пуская мыльные пузыри с младшим братом столкнулся с рядом вопросов, на которые не смог ответить сразу. Он спросил: «А почему мыльный пузырь круглый?», «Можно ли надуть пузырь из воды, без мыла?» Задумавшись над этими вопросами, я начал искать ответ в литературе. Сначала использовал учебники физики Сферы 7 – 9 класс. В учебнике 7 класса «Физика Сферы», §11 посвящен таким физическим явлениям, как капиллярность и смачивание, где есть очень скудная информация по вопросу межмолекулярного взаимодействия, в учебниках 8 и 9 классов информации по интересующему меня вопросу нет. Тогда я использовал дополнительный источник информации (А.А. Пинский Физика 10 класс) и столкнулся с понятием - силы поверхностного натяжения. Изучая в школе на уроках физики такие силы, как сила тяжести, сила трения, сила упругости я мог непосредственно наблюдать действие этих сил. Проявление этих сил в окружающем нас мире достаточно велико. А вот существует ли сила поверхностного натяжения? Если существует, то от чего она зависит? Можно ли самому пронаблюдать действие этой силы? На эти и многие другие вопросы, касающиеся проблемы моего исследования, я постарался ответить в ходе работы. Гипотеза: существует сила способная создавать поверхностное натяжение жидкостей. Актуальность: знания по данному вопросу могут пригодиться мне в повседневной жизни, а так же я собираюсь сдавать экзамен по физике и химии, и данная работа поможет мне лучше подготовиться к ОГЭ. Объект исследования – поверхностное натяжение. Предмет исследования: сила поверхностного натяжения. Цель – исследование сил поверхностного натяжения. Задачи: Изучить литературу по данному вопросу. Провести опыты, которые помогут подтвердить или опровергнуть выдвинутую гипотезу. Описать полученные результаты. Установить возможности практического применения результатов исследования. В процессе данной исследовательской работы я использовал следующие методы: Теоретические: изучение дополнительной литературы; анализ и описание полученных результатов. Эмпирические: наблюдение за экспериментом; систематизация полученных теоретических и практических данных. Для выполнения работы я наметил план: 1 этап - информационный: изучить литературу по данной теме в различных источниках (ноябрь). 2 этап - реализация: подобрать необходимое оборудование и провести опыты. Описать полученный результат, сопоставив его с выдвинутой гипотезой (декабрь – январь). 3 этап - оценочно - аналитический: сделать выводы, написать работу по данной теме (январь – февраль). Основная часть Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях Поверхностное натяжение – стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, т.е. уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой [1].  Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Рассмотрим две молекулы A и B (см. рис) [2].Молекула A находится внутри жидкости, молекула B – на ее поверхности. Молекула A окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу A со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или, другими словами, их равнодействующая равна нулю. Молекула B с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны – молекулами газа, концентрация которых значительно ниже, чем концентрация молекул жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу B действует гораздо больше молекул, чем со стороны газа, равнодействующая всех межмолекулярных сил уже не будет равна нулю и будет направлена внутрь объема жидкости. Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил. А это означает, что молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией, которая называется поверхностной энергией [2]. Очевидно, 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: WS = σS где WS – поверхностная энергия жидкости, S – площадь свободной поверхности жидкости и σ – коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом поверхностного натяжения [2]. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит: 1) от природы жидкости; 2) от температуры жидкости; 3) от свойств газа, который граничит с данной жидкостью; 4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок [1]. Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Вследствие поверхностного натяжения жидкость всегда принимает форму с минимальной поверхностью. 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. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Поэтому коэффициент поверхностного натяжения можно также определить как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего свободную поверхность жидкости: σ = FS/l [1]. Силы поверхностного натяжения в природе и технике  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 (т.е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости [2].Если положить швейную иглу на поверхность воды, поверхность прогнется и не даст ей утонуть. Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых таких, например, как водомерки, по поверхности водоемов. Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая тем самым ее площадь. Вследствие этого возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести. Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно «носить воду в решете». 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 сила тяжести. 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. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими, не было бы, как показывает теория, и радуги [2].  На действии сил поверхностного натяжения основан принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности. Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться. При нажатии на резиновый колпачок пипетки, создается дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, в результате чего капля падает вниз.Опыты по исследованию поверхностного натяжения Изучая дополнительную литературу, я обнаружил, что существует достаточно много различных опытов определения поверхностного натяжения. В своей работе я решил использовать некоторые из них для проверки своей гипотезы. Опыт 1 Цель – исследование сил сокращающих поверхность жидкости. Оборудование: проволочный каркас, нить, сосуд с мыльным раствором. Ход работы: я изготовил проволочный каркас и соединил его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустил каркас в мыльную воду, и стал вытягивать. Я заметил, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, я увидел, что нить приняла форму дуги. В  ывод: опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается. Свойство поверхности жидкости сокращаться, можно истолковать, как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. С помощью данного 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.  Опыт 2 Цель – наблюдение сил поверхностного натяжения. Оборудование: сосуды с разной горловиной, вода. Ход работы: проще всего наблюдать силы поверхностного натяжения при образовании капли, поэтому с помощью сосудов с разным диаметром горловины я получал капли разного размера и наблюдал момент отрыва капель от горловины сосудов. В  ывод: пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения, чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. По мере увеличения капли 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.  Опыт 3 Цель – определение формы жидкости. Оборудование: пробирка, открытка, вода. Ход работы: сначала я наполнил пробирку водой, затем закрыл горловину пробирки открыткой и перевернул пробирку вверх дном. Затем постепенно начал вытаскивать открытку, наблюдая за поведением жидкости. Несколько секунд ни одна капля не проливалась, зато поверхность воды вздулась, образовав «горку». Вывод: мы знаем из учебников физики 7 класса, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита. А также из дополнительной литературы я выяснил, что все системы стремятся уменьшить свою энергию [1]. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости. Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости – шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму, она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара. Опыт 4 Цель – создание модели, при которой можно устранить действие силы тяжести при изучении сил поверхностного натяжения (метод Плато). Оборудование: сосуд с водой, спирт, подсолнечное масло, пипетка. Ход работы: я приготовил смесь воды и спирта, затем поместил в нее каплю масла. Вывод: т.к. сила тяжести уравновешивается силой Архимеда, то образовавшийся масляный шар, свободно покоится в смеси. Этот шар от разлета на отдельные молекулы удерживает сила поверхностного натяжения. Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине прошлого века бельгийский ученый Ж. Плато.  Опыт 5 Цель – исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения от природы жидкости, от температуры жидкости, от наличия поверхностно-активных веществ. Оборудование: медная проволочка длиной 5 см, вода (чистая), спирт, мыльный раствор, динамометр, термометр, сосуд. Ход работы: я изогнул проволоку в виде скобы, прикрепил её к динамометру. Опустил проволоку в сосуд с водой так, чтобы проволочка коснулась поверхности воды. Далее осторожно поднимая динамометр, я следил за его показаниями. Вместе с проволочкой поднималась обволакивающая ее водяная пленка, а показание динамометра при этом постепенно увеличивалось. Оно достигает максимального значения в момент разрыва водяной пленки и «отрыва» проволочки от воды. Если из показаний динамометра в момент отрыва проволочки вычесть ее вес, то получится сила F, равная удвоенной силе поверхностного натяжения (у водяной пленки две поверхности). Далее я рассчитал коэффициент поверхностного натяжения по формуле σ = F/2l, где F – удвоенная сила поверхностного натяжения, l – длина проволочки. Затем я проделал опыт с другой жидкостью (спирт), а также менял температуру воды и добавлял в воду мыло. Результаты измерений занес в таблицы 1,2,3. Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Вывод: коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит: 1) от природы жидкости (у спирта коэффициент поверхностного натяжения меньше, чем у воды); 2) от температуры жидкости (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение); 3) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло, которые уменьшают поверхностное натяжение. Дополнение: не исследовал зависимость коэффициента поверхностного натяжения от свойств газа, который граничит с данной жидкостью, т.к. не смог данный эксперимент воспроизвести в лабораторных условиях. Следует обратить внимание, что поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем воды, тем не менее, мыльные пузыри или мыльные пленки на проволочных рамках образуются мыльным раствором, а не чистой водой. Объясняется это следующим образом: для устойчивого равновесия пленки силы поверхностного натяжения должны увеличиваться с высотой. Чем выше участок пленки, тем большую массу пленки внизу ему приходится удерживать. Следовательно, концентрация мыла на поверхности пленки убывает с высотой. Заключение Поверхностное натяжение – свойство жидкости, которое обуславливает ее состояние в окружающем мире. Это свойство объясняется особой структурой молекул жидкости и их взаимодействием. В природе и нашей жизни оно играют немалую роль. Например, нельзя было бы намылить руки: пена не образовывалась бы, слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Это свойство жидкости играет ключевую роль в строении живых организмов и мира в целом. В ходе исследования я подтвердил свою гипотезу – существует сила способная создавать поверхностное натяжение жидкостей. Она зависит от коэффициента поверхностного натяжения, который 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 (из дополнительной литературы); 4) от наличия поверхностно-активных веществ таких, как мыло или стиральный порошок, которые уменьшают поверхностное натяжение. Данные моего исследования можно использовать на уроках физики, при проведении элективных занятий, а так же на уроках биологии и химии для расширения общего кругозора. Список использованной литературы http://bourabai.ru/physics/liquids.html http://ru.solverbook.com/spravochnik/molekulyarnaya-fizika-i-termodinamika/poverxnostnoe-natyazhenie Белага В.В. Физика Сферы 7 - 9 класс Москва «Просвещение» 2014 Пинский А.А. Физика 10 класс Москва «Просвещение» 1993 414 стр. |