Поверхностная энергия, смачиваемость, капиллярность Проектная работа учащихся 11 класса МОУ «СОШ с. КОНСТАНТИНОВКА»

СИЛА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ Авторы презентации: учащиеся 11 класса Вагнер Дмитрий, Мялов Артем

«Выдуйте мыльный пузырь, – писал великий английский ученый Кельвин, – и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

Исследование натяжения тончайших мыльных пленок помогает изучать законы действия сил между частицами – тех сил сцепления, при отсутствии которых в мире не существовало бы ничего, кроме тончайшей пыли.

Гипотезы Шарообразная форма мыльного пузыря объясняется стремлением пленки сократиться до наименьших размеров. Различие в силах сцепления у разных молекул объясняет различие в поверхностном натяжении жидкостей. Слипание влажных песчинок и мокрых волос после купания объясняется действием сил сцепления молекул воды, облекающей песчинки или волосы.

План проведения исследований 1. Опытным путем установить возможные формы мыльного пузыря. 2. Определить причину слипания тяжелых песчинок и влажных волос после купания. 3. Провести эксперимент по изменению энергии поверхностного слоя жидкости. 4. Сделать выводы.

Эксперимент 1 Выдуем пузырь из мыльного раствора. Шарообразная форма мыльного пузыря объясняется стремлением мыльной пленки сократиться до наименьших размеров: пограничный с воздухом слой молекул притягивается только молекулами внутренних слоев пленки и под действием результирующей силы притяжения молекулы втягиваются внутрь жидкости. На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности оказывается минимальной. Такой формой, естественно, является сфера – вот почему и мыльный пузырь, и дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму (в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха).

Если разместить мыльный пузырь между двумя кольцами, он примет форму цилиндра. Если при этом увеличить расстояние между кольцами, цилиндр в одной половине сузится, в другой – расширится, изменяя первоначальную форму. Но если оставить пленку в покое, она примет форму сферы. Возможна ли иная форма мыльного пузыря?

Эксперимент 2 Дети хорошо знают, что «куличики» (и песчаные замки) можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но так же не пристают друг к другу песчинки, целиком погруженные 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 тотчас лягут на голове слипшимися слоями. Чем это объяснить?

Слипание песчинок и волос мы должны объяснить действием сил сцепления молекул воды, облекающей песчинки (именно эти силы позволяют строить песчаные замки из песка, именно они скрепляют песчинку с песчинкой) или волосы. Молекула внутри жидкости окружена другими молекулами со всех сторон. Молекулу же, находящуюся у границы с газом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны, со стороны же газа молекул почти нет. Для молекул, расположенных у поверхности, сложение всех сил дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Каждая молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, стремится уйти внутрь жидкости, и свободная поверхность, граничащая с воздухом, принимает наименьшую возможную величину. Под властью сил сцепления...

Эксперимент 3 Образуем мыльную пленку на колечке с ниткой. В эксперименте отчетливо видно стремление пленки сократиться до наименьших размеров. Поверхность «туго» натянута. Пока пленка цела по обе стороны нитки, нитка имеет форму, которую она случайно приняла при образовании пленки. Если уничтожить пленку по одну сторону нитки, то мыльная пленка по другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натянет нитку. Под властью сил сцепления...

Эксперимент 4 Образуем мыльную пленку на прямоугольнике с подвижной перемычкой («качели»). В отсутствие внешней силы (F о ) вдоль поверхности пленки действует сила поверхностного натяжения, которая, сокращая поверхность пленки, двигает перемычку влево. При равномерном растяжении x пленки сила F совершает работу А= F x, поверхность пленки увеличивается путем заполнения молекулами внутренних слоев. Число молекул поверхностного слоя возрастает, и увеличивается поверхностная энергия Е=σΔS, где σ-поверхностное натяжение. Благодаря поверхностному натяжению воды, на её поверхности могут плавать легкие предметы и бегать водомерки, чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань.

Фактическая величина… Под властью сил сцепления... Согласно эксперименту: x = 23 мм L = 30 мм σ = 25 мН/м Следовательно: Е пов. = σΔS = σ x L = = 0,025Н/м×0,023 м ×0,03 м = 0, Дж = = 17,25 мк Дж. В соответствии с законом сохранения энергии: 2F пов. x = σ ×2 L x, следовательно: F пов = σ L = 0,025Н/м ×0,03 м = 0,00075 Н = = 0,75 мН. Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая лучше очищать ткани, объясняется его малым поверхностным натяжением. F L x

Насыпем на поверхность воды в сосуде раскрошенную пробку. Этим приемом мы сделаем заметными перемещения поверхностного слоя воды. Теперь прикоснемся к поверхности воды маленьким кусочком мыла. Мы увидим, что порошок стремительно побежит от него во все стороны. Это показывает, что поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем поверхностное натяжение чистой воды. Но, если мы в воду опускаем кусочек сахарного леденца, порошок прислоняется к нему. Это показывает, что поверхностное натяжение сахарного раствора больше, чем поверхностное натяжение чистой воды. Так с помощью примесей можно изменить силу поверхностного натяжения. Эксперимент 5 Изменим поверхностное натяжение жидкости…

Выводы Мыльный пузырь в свободном состоянии может принимать только форму сферы с наименьшей площадью поверхности. Песчаные замки можно строить только из влажного песка. Поверхностное натяжение жидкости можно изменить с помощью примесей.

Литература Касьянов В. А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, Элементарный учебник физики: В 3-х т.: Учебное пособие. Т. 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика / Под ред. Г.С.Ландсберга. – М., Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1. – 20-е изд., стереотип. – М.: Наука, 1979.

Чудеса в решете Автор презентации: Кудашева Елена, ученица 11 класса

Основополагающий вопрос Носить воду в решете возможно только в сказке? Или физика может помочь исполнить такое классически невозможное дело? Предположения Носить воду в решете невозможно, т.к. оно имеет множество сквозных отверстий. Носить воду решетом можно, но при выполнении определенных условий.

План проведения исследований Опытным путем проверить: держится ли вода в решете. Провести эксперимент по созданию возможности удержания воды в решете. Изучить явления смачивания и несмачивания. Провести эксперимент и определить причины явлений. Полезны ли людям изучаемые явления?

Вода в решете Возьмём проволочное решето с не слишком мелкими ячейками (около 1 мм) и опустим его в растопленный парафин. Вынимаем решето: оно покрыто тонким слоем парафина, едва заметным для глаза. Решето осталось решетом: в нем есть сквозные отверстия, через которые свободно проходит булавка, но теперь вы можете в буквальном смысле слова носить в нем воду. Как это возможно?

Почему же вода не проливается? Потому что, не смачивая парафин, вода образует в ячейках решета тонкие пленки, обращенные выпуклостью вниз, которые и удерживают воду. Такое парафинированное решето можно положить на воду, и оно будет держаться на ней. Значит, можно не только носить воду в решете, но и даже плавать в нем.

Смачивание Жидкость, которая растекается по поверхности твердого тела, называется смачивающей, а жидкость, которая стягивается в каплю, – несмачивающей. Различие краевых углов в явлениях смачивания и несмачивания объясняется соответствием сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкостей и сил межмолекулярного притяжения в жидкостях. Если силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости >F притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение жидкости (внутри) >F притяжения между молекулами твердого тела и жидкости, то жидкость будет несмачивающей. Q<90° – смачивание Q>90° – несмачивание Q – угол смачивания Q =0 ° - идеальное не смачивание Q =180 ° - идеальное смачивание Q Q

Почему вода может одновременно и смачивать и не смачивать воск? На поверхность чистой горячей воды поместим кусочек воска. Воск расплавится и растечется по поверхности воды тонким слоем. Остывая, воск затвердеет тонкой пластинкой. Разделим её на 2 части и поместим горизонтально, предварительно перевернув одну из частей. Нанесем на поверхность пластинок капли чистой воды. Капли ведут себя совсем по-разному. На той поверхности воска, которая соприкасалась с воздухом, капля воды будет иметь такую же форму, как ртуть на стекле – в этом случае вода не смачивает воск. На поверхности, соприкасавшейся с водой, капля воды медленно растечется, образуя тонкую пленку – в этом случае вода смачивает ту же пластину воска. В чем здесь секрет?

Почему одно и то же вещество имеет свойство смачивания и несмачивания жидкостью одновременно? Молекулы многих веществ довольно сложны, благодаря этому различные части такой молекулы могут обнаруживать различные силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если каким- либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону будут обращены концы, сильно взаимодействующие с водой, а в другую – слабо взаимодействующие, то получится пластинка, одна поверхность которой будет смачиваться водой, а другая нет. Воск на горячей воде плавится, и молекулы жидкого воска поворачиваются, притягиваясь своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. В таком положении они застывают, когда вода охлаждается, и в результате получается та двухсторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили в эксперименте.

«Бездонный» бокал, или Ещё немного физики Мы налили воды в бокал до краев. Он полон. Может быть, для одной - двух булавок найдется место в бокале? Начнем бросать булавки и считать их. Булавки упали на дно – уровень воды остался неизменным. Десять, двадцать, тридцать булавок… жидкость не выливается. Пятьдесят, шестьдесят, семьдесят… Целая сотня булавок лежит на дне, а вода из бокала все еще не выливается. Не только не выливается, но даже и не поднялась сколько-нибудь заметным образом над краями. Продолжаем добавлять булавки. Вторая, третья, четвертая сотня булавок очутилась в сосуде – и ни одна капля не перелилась через край; но теперь уже видно, как поверхность воды вздулась, возвышаясь немного над краями бокала. В этом вздутии вся разгадка непонятного явления. Вода мало смачивает стекло, если оно (пусть даже совсем чуть-чуть) загрязнено жиром; края же бокала, как и вся употребляемая нами посуда, неизбежно покрывается следами жира от прикосновения пальцев. Не смачивая краев, вода, вытесняемая булавками из бокала, образует выпуклость.

Чудеса продолжаются… Кажется, невозможно заставить стальной предмет плавать на поверхности воды, а ведь это не так трудно сделать. Аккуратно возьмем иголку посередине и уроним её в горизонтальном положении на поверхность воды. Вместо иголки можно взять булавку, легкую пуговицу, мелкие плоские металлические предметы. Наловчившись, можно заставить плавать даже копейку.

Почему металлические предметы держатся на воде? Причина плавания этих предметов нам уже известна: вода плохо смачивает металл, побывавший в руках и потому покрытый тончайшим слоем жира. Оттого вокруг плавающего предмета на поверхности воды образуется вдавленность, её можно даже видеть. Поверхностная пленка жидкости, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на предметы и тем поддерживает их. Поддерживает предметы, согласно закону плавания, и выталкивающая сила жидкости: игла, скрепка, перо и другие предметы выталкиваются снизу с силой, равной весу вытесненной ими воды.

Чудеса каждый день… Применение смачивания: умывание, крашение, стирка, пайка, склеивание, флотация руд. Применение несмачивания: смоление бочек и лодок, смазывание салом пробок и втулок, окрашивание масляной краской и вообще покрытие маслянистыми веществами всех тех предметов, которые мы хотим сделать водонепроницаемыми, изготовление тканей для плащей, курток, зонтиков.

Выводы С помощью законов физики можно создать решето и носить в нем воду, оно будет даже плавать. Межмолекулярные силы взаимодействия объясняют явления смачивания и несмачивания, которые встречаются в жизни каждый день и важны для людей.

Дополнительные материалы Тест на проверку знаний по главе – «СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ» (не отключать макросы) Тест на проверку знаний по главе – «СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ»

Информационные источники. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразовательных учреждений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, Элементарный учебник физики: В 3-х т.: Учебное пособие. Т. 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика / Под ред. Г.С.Ландсберга. – М., Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1. – 20-е изд., стереотип. – М.: Наука,1979. CD-диск, ООО «Физикон», 2002.

Ч удеса капиллярных явлений Автор презентации: Плешивская Дарья, ученица 11 класса МОУ «СОШ села Константиновка»

«Капилля» - волос (в переводе с латинского). Поэтому узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее называются капиллярами.

Роль капиллярных явлений в жизни В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Придя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе и т.д. Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, поднимается вверх.

ФИЗИКА ЖИЗНИ При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Приведем некоторые данные для организма человека. Площадь поперечного сечения аорты 8 см², а общая площадь сечения всех капилляров примерно 3200 см², т.е. площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока – от 20 см/с в начале аорты до 0,05 см/с в капилляре. Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 млрд. капилляров. Общая длина капилляров достигает тыс. км.

Попробуем выяснить: что заставляет жидкость подниматься или опускаться по узкой трубке? Вопросы исследования Какая сила поднимает жидкость по капиллярам? Как зависит высота поднятия жидкости от толщины воздушного клина между стеклянными пластинками ? Зависит ли высота поднятия воды в капиллярах от его радиуса ?

План проведения исследования Обосновать с точки зрения физики причину движения жидкости по капиллярам. Провести эксперимент по вопросам: «Какая сила поднимает воду между пластинками и по капиллярам?», «Как зависит высота поднятия жидкости от толщины воздушного клина между стеклянными пластинками?», «Зависит ли высота поднятия воды в капиллярах от его радиуса?» Обосновать результаты эксперимента с точки зрения законов физики. Сделать выводы.

Капиллярность – явление подъема или опускания жидкости в капиллярах В случае смачивающей жидкости (А) силы притяжения F ж-т между молекулами жидкости и твердого тела(стенки капилляра) превосходят силы взаимодействия F ж между молекулами жидкости, поэтому жидкость втягивается внутрь капилляра, и подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила F в, действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h: F в = mg. Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (Б), опускается в нем на расстояние h. По третьему закону Ньютона сила F в, действующая на жидкость, равна силе поверхностного натяжения F пов, действующей на стенку по линии соприкосновения её с жидкостью: F в = F пов. А Б

От чего зависит высота подъема жидкости в капилляре? При равновесии жидкости в капилляре F пов = mg. Сила поверхностного натяжения при хорошем смачивании F пов = σ×2 π r. Масса столба жидкости объемом V= π r ² h: m=ρV=ρπr ² h. Исходя из условия равновесия жидкости в капилляре: σ×2 π r =ρπr ² hg, следовательно: Итак, высота подъема жидкости в капилляре зависит от свойств жидкости (её поверхностного натяжения σ и плотности ρ), а также от радиуса капилляра – чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости в капилляре.

Ход исследования Проследим, как поднимается вода по капиллярам в промокательной бумаге, хлопчатобумажной ткани и бумажной салфетке. Для этого: 1) возьмем полоски, вырезанные из промокательной бумаги, хлопчатобумажной ткани и салфетки; 2) одновременно опустим полоски в подкрашенную воду; 3) наблюдаем промокание исследуемых материалов и поднятие влажной границы вверх; 4) определим высоту подъема воды в образцах и рассчитаем радиус капилляров. ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Образец 1- промокательная бумага. h = 30 мм r = 2σ/ρhπ = 2×0,0728/(1000 ×0,03 ×3,14) 0,00155 м 1,55 мм Образец 2- хлопчатобумажное полотенце. h = 42 мм r = 2σ/ρhπ = 2×0,0728/(1000 ×0,042 ×3,14) 0,00110 м 1,1 мм. h = 12 мм r = 2σ/ρhπ = 2×0,0728/(1000 ×0,012 ×3,14) 0,00386 м 3,86 мм. Образец 3- бумажная салфетка. r = 2σ/ρhπ r = 2σ/ρhπ, следовательно: Вывод: ЧЕМ > h, ТЕМ < r. Вода поднимается вверх по этим материалам, т.к. они пронизаны тонкими каналами неправильной формы (т.е. капиллярами). Если материал смачивается водой, то она втягивается в канал на тем большую высоту, чем уже канал. Следовательно, ткань имеет более узкие капилляры, чем промокательная бумага и бумажная салфетка.

П роследим, как поднимается вода в стеклянных трубках. Для этого: 1) возьмем две трубки разного диаметра (D 1 < D 2, h 1 > h 2 ); 2) опустим в подкрашенную воду; 3) пронаблюдаем за подъемом воды. D1D1 h1h1 D2D2 h2h2 ЭКСПЕРИМЕНТ 2 ВЫВОД: наблюдаем подтверждение результатов предыдущего эксперимента.

Проследим, как поднимается вода между двумя стеклянными пластинами, скрепленными по краям пластилином. Для этого: 1) склеим между собой кусочками пластилина две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась воздушная прослойка; 2) опустим пластины в воду на глубину 0,5 - 1 см; 3) пронаблюдаем за подъемом воды. ЭКСПЕРИМЕНТ 3 Вывод: чем меньше воздушная прослойка между стеклянными пластинами, тем выше поднимается вода.

П роследим, как поднимается вода между двумя стеклянными пластинками, соединенными клином. Для этого: 1) возьмем две стеклянные пластинки, соединенные клином так, чтобы с одной стороны края были плотно прижаты, а с другой разделены кусочком пластилина; 2) опустим пластины в воду; 3) пронаблюдаем за подъемом воды. ЭКСПЕРИМЕНТ 4 Вывод: чем меньше воздушный зазор между стеклянными пластинами, тем выше поднимается столбик воды.

Выводы Изучено явление капиллярности. Результат капиллярных явлений зависит от силы взаимодействия молекул внутри жидкости и от силы взаимодействия молекул твердого тела с молекулами жидкости. Чем меньше радиус капилляра, тем выше поднимается вода по капилляру. Уровень движения жидкости по капиллярам зависит также от плотности жидкости и поверхностного натяжения. Опыт со сменой величины воздушного зазора между стеклянными пластинами является ещё одним подтверждением наших выводов об особенностях капиллярных явлений. Ткань и бумага обладают высокой смачиваемостью потому, что эти материалы пронизаны капиллярами.

Дополнительные материалы Задачи по теме. Задачи

Использованные источники 1. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебник для общеобразов. учреждений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, Элементарный учебник физики. Том 1: Механика. Теплота. Молекулярная физика / под ред. Г.С. Ландсберга. – М., 1975 г. 3. Перельман Я.И. Занимательная физика. В двух книгах. Кн. 1. – 20-е изд., стереотип. – М.: Наука, Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: Кн.для учителя: Из опыта работы. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, Открытая физика. Часть 1: Механика. Механические колебания и волны. Термодинамика и молекулярная физика. 1cd / под ред. профессора МФТИ С.М.Козела. – М.: ООО «Физикон», Физика. Подготовка к ЕГЭ классы: Образовательный комплекс. 1cd. – М: ГУ РЦ ЭМТО; Кирилл и Мефодий, 2003.