Доклад по теме "Можно ли ходить по воде или поверхностное натяжение"

МАОУ «Гимназия №30»

Доклад по теме:

«Можно ли ходить по воде или поверхностное натяжение»

                                                      Выполнил:                Таруц В.

                                        Проверила:  Морщакина Е.А.

г. Магадан, 2015

Содержание

  1. Введение.

  2. Проблема. Цель. Задачи исследования.

  3. Основные положения МКТ.  Движение молекул жидкости, их взаимодействие.

  4. Поверхностная энергия.

  5. Поверхностное натяжение.

  6. Практическая часть

  7. Роль поверхностного натяжения в жизни.

  8. Список использованной литературы.

.

1. Введение.

Можно ли ходить по воде? Можно! Что бы в этом убедится, достаточно посмотреть на поверхность пруда в летний день. По воде ходят, бегают множество насекомых. Они ловко скользят по поверхности. Пленка воды слегка прогибается, но не рвется. Значит, вода обладает каким-то свойством, позволяющим выдерживать всю эту живность. И название этому свойству — поверхностное натяжение.

  Силы поверхностного натяжения очень наглядно проявляются  во время купания. Когда человек погружается с головой в воду, его волосы расходятся во все стороны. Но стоит только высунуть голову из воды, волосы сразу же лягут на голове слипшимися слоями, поскольку в этом случае поверхность воды имеет меньшую площадь, чем при раздельном расположении волос. Аналогичный эффект наблюдается при использовании художественной кисти.

Наличие сил поверхностного натяжения проявляется в сферической форме мелких капелек росы, каплях воды, разбегающихся по раскаленной плите, и мелких каплях воды на пыльной дороге. Поскольку поверхностное натяжение жидкости проявляет себя в природе и технике, в физиологии нашего организма и в жизни насекомых, и была выбрана эта тема научной работы. Работа состоит из нескольких глав:

  1. Введение.

  2. Проблема. Цель. Задачи исследования.

  3. Основные положения МКТ.  Движение молекул жидкости, их взаимодействие.

  4. Поверхностная энергия.

  5. Поверхностное натяжение.

  6. Практическая часть

  7. Роль поверхностного натяжения в жизни.

  8. Список использованной литературы.

2.        Проблема. Цель. Задачи исследования.

Проблема: Почему проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике, в физиологии нашего организма и в жизни насекомых играет важную роль.

Цель: Исследовать поверхностное натяжение и изучить существенные методы определения поверхностного натяжения, выяснить какую роль они играют в природе и жизни человека.

Задачи исследования:

1. Изучить структуру жидкости, явление поверхностного натяжения.

2. Изучить методы измерения поверхностного натяжения жидкости.

3. Опытным путем убедиться в существовании сил поверхностного натяжения.

4. Выяснить, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

3. Основные положения МКТ.  Движение молекул жидкости, их взаимодействие.

Согласно МКТ все вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, разделенных промежутками, находящихся в непрерывном движении и взаимодействующих между собой. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из более простых частиц – атомов. Молекулы различных веществ имеют различный атомный состав.

Молекулы обладают кинетической энергией одновременно потенциальной энергией взаимодействия. Соотношение между средними значениями кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия определяет агрегатное состояние вещества. В газах кинетическая энергия частиц велика по сравнению с потенциальной энергией их взаимодействия, в жидкостях эти энергии сравнимы друг с другом.

Существенное различие в характере движения молекул газов, жидкостей и твердых тел объясняется различием силового взаимодействия их молекул, связанным с различием  средних расстояний между молекулами.

В жидкостях расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах. Сила взаимодействия каждой молекулы с соседними достаточно велики, вследствие чего молекулы жидкости совершают колебания около некоторых средних положений равновесия. Вместе с тем, поскольку средняя кинетическая энергия молекул жидкостей сравнима с их энергией взаимодействия, молекулы,  обладающие случайным избытком кинетической энергии, преодолевают притяжение соседних частиц и меняют положение равновесия.  Практически колеблющиеся частицы жидкости через очень малые промежутки времени (около одной стомиллионной доли секунды) скачкообразно перемещаются в пространстве, что приводит к свойству текучести жидкостей. Можно сказать, что молекулы  ведут кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Длительности этих “стоянок” весьма различны и беспорядочно меняются со временем, резко убывают с повышением температуры. Таким образам жидкость состоит из множества микроскопических областей, в которых имеется некоторая упорядоченность в расположении близлежащих частиц, меняющаяся во времени и в пространстве, т.е. не повторяющиеся во всем объеме жидкости. О такой структуре говорят, что она обладает ближним порядком.

Между молекулами существуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания. При малых расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания. По мере увеличения расстояния между молекулами,  как силы притяжения, так и силы отталкивания убывают быстрее. Поэтому при некотором значении r расстояния между молекулами силы притяжения и силы отталкивания взаимно уравновешиваются.

Вспомним основные свойства жидкостей:

а) не имеют формы
б) имеют объем
в) несжимаемы, т. к. молекулы жидкости находятся на малых расстояниях друг от друга; и поэтому для сжатия жидкостей надо преодолевать силы молекулярного отталкивания.

Познакомимся еще с одним проявлением свойств жидкости.

4. Поверхностная энергия.

Отличительной особенностью жидкости является наличие у нее свободной поверхности, которая образуется на границе с газом. Рассмотрим явления, связанные с существованием у жидкости свободной поверхности.

Выдувать мыльные пузыри – любимое занятие детей. Но, оказывается, из этого занятия можно извлечь много ценных сведений. Известно, что мыльный пузырь имеет почти правильную сферическую форму. И если прекращают выдувать пузырь, то он самопроизвольно сокращается и его поверхность уменьшается.

Все, вероятно любовались маленькими капельками росы, которые на листьях растений принимают форму почти правильных шариков. Такую же форму имеют капли воды на парафине. Если эти капли привести в соприкосновение то они сольются в одну большую каплю, форма которой также будет близка к шаровой.

Эти явления кажутся удивительными! Ведь мы привыкли видеть, что жидкость принимает форму сосуда, в котором она находится, и собственной формы не имеет. Оказывается это не всегда верно.

Из геометрии известно, что шар имеет наименьшую площадь поверхности из всех тел равного объема. Легко рассчитать, что если два одинаковых шарика сливаются в один, то площадь его поверхности будет меньше суммы площадей поверхностей обоих шариков. Выходит, что в описанных явлениях мы наблюдали самопроизвольное сокращение поверхности жидкости: жидкость принимала форму, при которой площадь ее поверхности оказывалась минимальной.

Как это можно объяснить?

Молекулы, расположенные на этой поверхности, находятся в особых условиях по сравнению с молекулами остальной массы жидкости. Рассмотрим молекулу А, расположенную внутри некоторого большого объема жидкости (рис. 1). Эта молекула взаимодействует с окружающими ее молекулами, попадающими в так называемую сферу молекулярного действия, радиус которой порядка 10-7 см. Поскольку молекулы в жидкости расположены с равномерной плотностью, то равнодействующая всех сил, действующих на рассматриваемую молекулу, равна нулю.

Иначе обстоит дело с молекулой В, расположенной в поверхностном слое жидкости. В отличие от молекул в глубине жидкости, молекулы поверхностного слоя не окружены молекулами той же жидкости со всех сторон. Часть соседей поверхностных молекул являются частицами второй среды, с которой жидкость граничит. Число частиц в единице объема этой второй среды и их природа могут отличаться от аналогичных свойств жидкости. Поэтому и молекулярные взаимодействия между пограничными молекулами и молекулами второй среды в общем случае могут отличаться от сил взаимодействия внутри самой жидкости. По этой причине равнодействующая всех сил, действующих на молекулу поверхностного слоя, не равна нулю. В зависимости от природы граничащих сред на поверхностную молекулу В будет действовать некоторая равнодействующая сила, направленная либо вглубь жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. В том случае, когда жидкость граничит со своим собственным паром, равнодействующая сила, действующая на молекулу В, направлена внутрь жидкости, поскольку число молекул в единице объема жидкости во много раз больше, чем их число в граничащем с ней паре.

Наличие равнодействующей силы, стремящейся втянуть молекулу внутрь жидкости, приводит к тому, что молекула, попадающая в поверхностный слой, должна совершить работу против этой силы. Совершенная при этом работа определяет дополнительный запас потенциальной энергии молекул поверхностного слоя. Очевидно, что чем больше свободная поверхность жидкости, тем большее число ее молекул обладают избыточной потенциальной энергией.

Хорошо известно, что любая система в природе стремится к минимуму потенциальной энергии. Следовательно, в поверхностном слое жидкости должна действовать сила, стремящаяся сократить ее свободную поверхность. Эта сила и есть сила поверхностного натяжения.

5. Поверхностное натяжение.

Для количественной характеристики сил поверхностного натяжения выделим мысленно на поверхности жидкости отрезок длиной l=1см (рис.2). Поскольку жидкость стремится сократить свою поверхность к этому отрезку, точнее, к молекулам, расположенным на этом отрезке, будут приложены силы, лежащие в плоскости поверхностного слоя и направленные перпендикулярно выбранному отрезку.

Равнодействующая этих сил, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность жидкости, обозначается буквой σ и называется коэффициентом поверхностного натяжения.

σ =

Можно ввести и другое, энергетическое определение коэффициента поверхностного натяжения. Рассмотрим какой-либо процесс, в ходе которого поверхность жидкости возрастает под действием внешних сил, например, вытекание жидкости из узкой трубочки (рис. 3). Жидкость вытекает из трубочки по каплям. Непосредственно перед отрывом капелька висит на шейке, которая имеет почти цилиндрическую форму. Сила тяжести, действующая на капельку, уравновешивается при этом силой поверхностного натяжения. Равнодействующая сил поверхностного натяжения, действующих по контуру шейки, равна . При возрастании длины шейки на Δl внешние силы совершают                    работу , где ΔS – приращение поверхности шейки.

Тогда коэффициент поверхностного натяжения можно определить как работу, которую нужно совершить при изотермическом увеличении поверхностного слоя жидкости на единицу площади. Или иначе эта величина равна свободной энергии единицы площади поверхностного слоя жидкости.                            σ =

Заметим еще, что, исходя из двух возможных подходов к определению коэффициента поверхностного натяжения, можно заключить, что эта величина в системе СИ измеряется либо в Н/м, либо в Дж/м2.

6. Практическая часть

Существование сил поверхностного натяжения экспериментально убедительно доказывается на основании многочисленных опытов.

Опыт 1 «Упрямый шарик».

Наливаем в бокал воду на две трети. Кладем теннисный шарик в центр, шарик постепенно прилипает к краю бокала. Если долить воду в стакан до самого верха, образуется сферическая шапка, к центру которой стремится теннисный шарик. Опыт с емкостями разных объемов доказывает, что шарик ведет себя одинаково не зависимо от объема сосуда. Все просто, вода поднялась горбиком над стаканом.

Опыт 2 «Мыльные пленки».

Если проволочный каркас с натянутой на него нитью поместить в мыльный раствор, то нить приобретет ту форму, которую она случайно приняла при образовании пленки (рис. 4). Если осторожно с помощью иголки разрушить мыльную пленку по одну сторону от нити, то мыльная пленка по другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натянет нить, дугой. П о ч е м у ?

ВЫВОД: силы поверхностного натяжения перпендикулярны к границе поверхностного слоя жидкости, и они возникают, как результат стремления жидкости уменьшить свою поверхность и поверхностную энергию.

Опыт 3 «От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?».

Изменение поверхностного натяжения жидкости при растворении примесей можно обнаружить при помощи следующего опыта. Насыплем на поверхность воды тальк, т. е сделаем заметным перемещение поверхностного слоя воды. Теперь капнем из пипетки на поверхность воды маленькую каплю моющего средства “Ферри”. Мы увидим, что порошок стремительно побежит от капельки во все стороны. П о ч е м у ?

ВЫВОД: поверхностное натяжение раствора “Ферри” меньше, чем поверхностное натяжение чистой воды.

Опыт 4 «Живая рыбка»

Сравним поверхностное натяжение разных примесей.

Вырежем из плотной бумаги рыбку. В середине у рыбки круглое отверстие А, которое соединено с хвостом узким каналом АБ.

Нальем в таз воды и положим рыбку на воду так, чтобы нижняя сторона ее вся была смочена, а верхняя осталась совершенно сухой.
Теперь нужно капнуть в отверстие А большую каплю масла. Стремясь разлиться по поверхности воды, масло потечет по каналу АБ. Растекаться в другие стороны ему не даст рыбка. Рыбка под действием масла, вытекающего назад, поплывет вперед, т.к. масло обладает меньшим поверхностным натяжение, чем вода  (рис.5).

То же самое проделаем со спиртом. Рыбка придет в движение, но с еще большей скоростью. П о ч е м у ?

ВЫВОД: поверхностное натяжение раствора спирта меньше, чем поверхностное натяжение масла.

Сравним эти выводы с  табличными значениями коэффициента поверхностного натяжения  из таблицы №3 А.П. Рымкевич Сборник задач по физике. Ниже в таблице приведены значения коэффициентов поверхностного натяжения некоторых жидкостей.

Из приведенных данных наглядно видно, что у легко испаряющихся жидкостей (спирт) коэффициент поверхностного натяжения значительно отличается от значения для таких жидкостей, как вода. Это обстоятельство отражает тот факт, что силы молекулярного взаимодействия в спирте намного слабее, чем взаимодействие молекул воды.

Экспериментальные исследования показывают, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит от температуры. Надежно установлено, что с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается. В таблице приведены для примера данные по температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения для воды.

Итак, что поверхностное натяжение зависит от природы жидкости, ее температуры, присутствия в ее составе поверхностно-активных веществ и свойств среды, с которой она граничит. Однако поверхностное натяжение никак не зависит от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась ли до этого поверхность жидкости растяжению или нет.

7. Роль поверхностного натяжения в жизни.

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно “носить воду в решете”. Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. 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 тяжесть. 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.

Поэтому силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

Без этих сил мы не могли бы писать чернилами: автоматическая ручка сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар; нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы; нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений.

Можно привести много примеров сил поверхностного натяжения в действии из нашей будничной жизни. Под воздействием ветра на поверхности океанов, морей и озер образуется рябь, и эта рябь представляет собой волны, в которых действующая вверх сила внутреннего давления воды уравновешивается действующей вниз силой поверхностного натяжения. Две эти силы чередуются, и на воде образуется рябь, подобно тому, как за счет попеременного растяжения и сжатия образуется волна в струне музыкального инструмента.

Во всех этих случаях взаимодействие между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и молекулами тела, на поверхности которого жидкость находится.

8. Список использованной литературы.

1. Гурский И.П. Элементарная физика с примерами решения задач. – М.: Наука, 1976. – 463 с.
2. Покровский А.А., Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационные опыты по молекулярной физике и теплоте. – М., 1960.
3. Покровский А.А., Зворыкин Б.С. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. – М., 1956.
4. Перельман Я.И. Занимательная физика: Книги первая и вторая. – М.: Наука, 1991. – 496 с.
5. Предметная неделя физики в школе./ Под ред. И.Ю. Ненашева. – Ростов н/Д.: Феникс, 2006. – 272с.
6. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике для 9-11 классов средней школы. – М.: Просвещение, 1990. – 224 с.
7. Физика: Учебное пособие для 10 кл. и классов с углубл. изуч. физики./ Под ред. А.А. Пинского. – М.: Просвещение, 1993. – 416 с.
8. Яворский Б.М., Тихомирова С.А. Физика: Учебник для гуманитарных классов. 10 класс. – М.: Школа – Пресс, 1997.- 288 с.