Уроки мыльного пузыря

Опубликовано горбунова наталья анатольевна вкл 05.09.2014 - 14:37

Автор:

Колемесина Анна

Иногда дети не видят, как они могут применить свои знания, полученные на уроках, в жизни, окружающей их обстановке. Как можно объяснить те явления, которые они наблюдают каждый день. Такие творческие работы помогут взглянуть по-новому на многие вещи. Эта работа показывает, что мыльный пузырь-интересныйобъект для исследования.

Скачать:

Вложение	Размер
uroki_mylnogo_puzyrya.docx	675.96 КБ

Предварительный просмотр:

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 254

с углубленным изучением английского языка

Кировского административного района Санкт-Петербурга

198261, Санкт-Петербург, ул. Бурцева, 9 тел/факс 759-39-76, 759-37-88

XV научно-практическая конференция

Учащихся Кировского района

Секция: физика

Реферат

Тема работы: «Уроки мыльного пузыря»

Выполнил: Колемесина Анна 9 в класс

Научный руководитель: Горбунова Н.А., учитель физики

Санкт-Петербург

2014

Содержание

Введение …………………………………………………………3
История мыльного пузыря…………………………………….3
Структура………………………………………………………..3
Форма…………………………………………………………….4
Кристаллизация мыльных пузырей………….….………..…5
Интерференция света………………………………………….6
Математические свойства…………………………….…..….7
Использование пузырей человеком…………………..….….8
Заключение…………………………………………….….……9
Литература……………………………………………….……10
Приложение……………………………………………………11

«Уроки мыльного пузыря»

Великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: "Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

Введение

Общие законы физики мы нередко обнаруживаем на примере конкретных, иной раз неожиданных явлений. Мыльный пузырь оказывается главным участником важных технологических процессов и физических явлений. Он, безусловно, может стать лабораторным материалом для изучения интерференции света, поверхностного натяжения жидкости, а также для решения физических и математических задач.

История мыльного пузыря

Мыльные пузыри появились несколько тысяч лет назад. При раскопках в городе Помпеи были найдены так называемые фрески, на которых были изображены дети, играющие с мыльными пузырями. Также в Китае были найдены старинные папирусы: на них были люди, которые выдували мыльные пузыри из трубочек (см. приложение 1).

Структура

Мыльный пузырь — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом. Тонкий слой воды заключён между двумя слоями молекул мыла, защищающие воду от быстрого испарения. Два слоя мыльной плёнки содержат в себе молекулы, одна часть которых гидрофильная, а другая гидрофобная (см. прил. 2). На поверхности жидкостей располагаются (адсорбируются) поверхностно-активные молекулы, которые способны понижать поверхностную энергию жидкости. Существует класс веществ — так называемые поверхностно-активные вещества, или ПАВ, молекулы которых легко адсорбируются на поверхности жидкости. Такими веществами и богаты мыла. Молекула ПАВ - это удлиненная цепочка, состоящая из атомов водорода и углерода. Такая молекула обладает одной очень важной особенностью — концы ее имеют различную структуру и по-разному относятся к соседству с водой: один конец легко соединяется с водой, а противоположный инертен по отношению к воде. Было установлено, что адсорбция мыла на поверхности воды понижает ее поверхностное натяжение в два с половиной раза.

Поверхностное натяжение и форма

Любая жидкость на границе с газом (или паром) всегда образует свободную поверхность. Молекулы жидкости на поверхности находятся в особых условиях по сравнению с молекулами ее внутренних слоев. Внутри жидкости результирующая сила притяжения, действующая на молекулу со стороны соседних молекул, равна 0.Молекулы поверхностного слоя притягиваются только молекулами внутренних слоев и под действием результирующей силы притяжения втягиваются внутрь жидкости.(см. прил. 3) На поверхности остается такое число молекул, при котором площадь поверхности жидкости оказывается минимальной при данном объеме. Поэтому жидкость принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме. При свободном падении, в состоянии невесомости капли дождя практически имеют форму шара. Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к минимуму. Этот эффект называют поверхностным натяжением. Единица поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м).

Сферическая форма пузыря тоже получается за счёт поверхностного натяжения.

Газ, заключенный в замкнутую эластичную оболочку пузыря, естественно стремится расшириться и максимально растянуть ее, а плёнка стремится сжаться, сократить свою поверхность, уменьшив при этом связанную с ней энергии. Поэтому пузырь примет форму сферы. Как это известно из геометрии, сфера при данной площади замкнутой поверхности обеспечивает максимальный заключенный в ней объем и минимальную площадь поверхности.

Стремясь минимизировать свободную энергию, плёнка создаёт разность давления с разных сторон. Она сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления плёнки. Это давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и задаётся формулой Лапласа:

$\Delta p = \sigma K = \sigma \left({1\over R_1} + {1\over R_2}\right)$

Здесь $R_{1,2}$ — радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разную сторону. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому

R_1 = R_2 = R

$\Delta p = {2\sigma \over R}$

Однако пузырь, свободно парящий в воздухе, имеет идеальную сферическую форму, но лишь в случае, если сила тяжести не вынуждает перемещаться жидкость в объеме пленки пузыря и не приводит к тому, что пленка внизу оказывается толще, чем вверху, и форма пузыря искажается. Создать идеальные условия можно двумя способами: вынудить пузырь, парящий в воздухе, все время как-то поворачиваться или поместить пузырь в условия невесомости.

Кристаллизация мыльных пузырей

Оказывается, если надуть пузырь при температуре −15 °C, он замёрзнет при соприкосновении с поверхностью. Воздух из пузыря будет постепенно просачиваться наружу и в конце концов пузырь разрушится под действием собственного веса. А при температуре −25 °C пузыри замерзают прямо в воздухе (см. прил. 4 а).

При наблюдении кристаллизации мыльного пузыря легко заметить, что он постоянно вращается. Это, наверное, можно объяснить так: в объеме пузыря из-за разности температур между различными участками его поверхности возникают внутренние воздушные потоки. Воздушная струя встречает поверхность пузыря под каким-то произвольным углом, поэтому и возникает сила, поворачивающая пузырь. И направление потоков, и их расположение в пузыре со временем меняются, а поэтому меняются и скорость, и направление его вращения. Интересно, что пленка пузыря оказывается не хрупкой, и ели дать возможность мыльному закристаллизовавшемуся пузырю упасть на пол, он не разобьется. Пленка пузыря обнаруживает пластичность, которая оказывается следствием ее малой толщины. (см. прил. 4 б).

Плёнка мыльного пузыря – одна из самых тонких вещей, доступных невооружённому глазу. Она почти в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Если увеличить волос в 40 000 раз, то его толщина будет более целых 2 м, а если во столько же раз увеличить плёнку мыльного пузыря, то она будет видна тонкой линией. (см. прил. 5). Перед тем, как лопнуть, толщина стенки мыльного пузыря достигает значения 25 нанометров.( см. прил. 6)

Интерференция света

«Радужные» цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн . . Известно, что..к Ньютону восходили представления о «корпускулярном» свете — потоке корпускул. Ньютон считал, что, попадая на сетчатку глаза, маленькие корпускулы создают впечатление фиолетового цвета, а корпускулы побольше — красного. Эти представления, оставляли без объяснения множество явлений, среди которых оказалась и интерференция света. Физик Томас Юнг своими исследованиями обосновал волновые представления о свете, объяснив, в частности, всевозможные проявления интерференции. Да и сам термин «интерференция» ввел в науку именно Томас Юнг. Французский физик Доменик Араю писал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и легкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха» Направим под некоторым углом на поверхность тонкой пленки монохроматический свет. . Луч, падающий на переднюю поверхность пленки толщиной d, частично отражается и частично преломляется. (см. прил. 7) После отражения преломленного луча от задней поверхности пленки в точке D луч 2 преломляется в точке е, попадая в глаз наблюдателя в точке F. Отраженные лучи 1 и 2 сходятся в точке Р на сетчатке глаза. Эти два луча, рожденные одним источником, но прошедшие разные пути называются когерентными. Разность хода отраженных лучей зависит от угла падения на пленку. Каждому углу падения соответствует определенная интерференционная полоса. Интерференционная картина имеет вид чередующихся криволинейных темных и светлых полос. (см. прил. 8 )Каждой из них соответствует определенной значение угла , поэтому они называются полосами равного наклона. (см прил. 9)Неоднородность пленки по толщине также приводит к неоднородности отражения волн разного цвета от нее, что придает пленке радужную окраску. Во всех местах плёнки, где толщина одинакова, а следовательно, и разность хода одинакова, наблюдается один и тот же результат интерференции. Это означает, что вдоль какой-либо темной или светлой полосы, образующейся на поверхности, толщина этой плёнки одна и та же. Светлые возникают в местах, где разность фаз между прямым и дважды отражённым лучом (в проходящем свете) или между лучами, отражёнными от обеих соприкасающихся поверхностей (в отражённом свете), равна(n = 1, 2, 3, ...) (т. е. разность хода равна чётному числу полуволн). Тёмные кольца образуются там, где разность фаз равна

По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого цвета сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). (см. прил. 10) В конце концов, стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе, и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном).

Объединение пузырей. Математические свойства

Когда несколько пузырей соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности для уменьшения связанной с ними энергией. Плёнка между пузырями может быть плоской лишь в том случае, если она разделяет два равных пузыря. ( см. прил. 11) Так как радиусы пузырей равны, то избыточные давления газа в объеме каждого из них одинаковы и, значит, на мембрану с двух сторон действуют уравновешивающиеся силы, и она остается плоской. Если мембрана разделяет два пузыря, радиусы которых различны: R1 < R2. Сила, обусловленная давлением, направлена в сторону большего пузыря, в котором давление меньше. Под влиянием давления мембрана изогнется и примет форму участка сферической поверхности. Если один из двух разделенных мембраной пузырей мы будем раздувать, мембрана начнет искривляться, прогибаясь в сторону раздуваемого пузыря. Это кажется странным: в пузырь нагнетается воздух, а мембрана все больше вдавливается в пузырь. Но раздуваемый пузырь увеличивает свой радиус, а это означает, что избыточное давление в нем падает. Именно поэтому мембрана, прогибается навстречу потоку воздуха, который раздувает пузырь.

Ещё некоторые правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором.

Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности.
Линии пересечения поверхностей пересекаются в одной точке по четыре штуки, причём угол между любыми двумя равен arccos(-1/3)≈109,47°.

В принципе могут образовываться и пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, однако они будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся. Интересно, что Пчёлы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях также под углом 120°, формируя, тем самым, правильные шестиугольники.

Мыльные пузыри также являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Например, несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме, только в 2000 году было доказано[1], что два объединённых пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединённом объёме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря. Плёнка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Это связано с тем, что свободная энергия жидкой плёнки пропорциональна площади её поверхности и стремится к достижению минимума:

$\Delta\mathcal{F} = \sigma S$

где $\sigma$ — поверхностное натяжение вещества, а — полная площадь поверхности плёнки.

Использование пузырей человеком

Изучение поведения мыльных пузырей в различных условиях помогли человеку в создании новых полезных изобретений.

На заводах, когда хотят отделить, отмыть руду от «пустой породы». И руда и камень в воде тонут. Но в пене, если их измельчить, они не тонут. У пузырьков пены очень большая сила. Пузырьки подымают и кусочки руды, и кусочки камня и выносят их наверх. Кусочки породы не могут держаться на пузырьках и падают на дно аппарата, а частички руды не падают. В конце концов, в аппарате получается корка руды, которую легко снять.
английский исследователь Джеймс Дьюар. проводил опыты по консервации мыльного пузыря в изобретенном им сосуде с двойными стенками и добился времени хранения более месяца. Позже это изобретение легло в основу колб для термосов, емкостей для перевозки жидких газов и многих других полезных приспособлений.
При замораживании мыльного пузыря было сделано множество полезных наблюдений, на основе которых сейчас широко применяется технология заморозки клеток, органов для пересадки и целых живых организмов.
Архитекторы часто используют идеальную форму поверхности мыльного пузыря для создания своих сооружений.

Заключение

Какие же уроки мы извлекли из наблюдений за мыльным пузырём?

На примере мыльного пузыря мы рассмотрели окрашивание мыльного пузыря, которое происходит за счёт волновых свойств света, попадающего на мыльную плёнку (интерференция световых волн в мыльных плёнках); форму мыльного пузыря объясняет наличие поверхностного натяжения жидкости. Не зря даже самые знаменитые учёные использовали мыльный пузырь, как материал для изучения физических явлений.

Литература