Исследовательская работа поверхностное натяжение воды

        Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

               Поверхностное натяжение воды

.    

                                                          Секция: проектно-исследовательская работа

                                                                          Работу выполнила:

                                                                    Стрельникова Елизавета Александровна

                                                                    учащаяся 7-А  класса

                                                                    муниципального бюджетного                                                                                              

                                                                    учреждения «Средняя

                                                                    общеобразовательная школа № 7

                                                                    им. А.В. Мокроусова с углублённым       

                                                                    изучением английского языка»

                                                                    Научный руководитель:

                                                                    Шраменко Татьяна Николаевна,

                                                                    учитель физики высшей категории,

                                                                    муниципального бюджетного

                                                                    общеобразовательного

                                                                    учреждения «Средняя

                                                                    общеобразовательная школа №7

                                                                    имени А.В. Мокроусова с  углублённым

                                                                    изучением английского языка »

Симферополь

2018

Содержание

                                                                                                                                 стр    

Введение………………………………………………………………………         3

1.Теоретическая часть………………………………………………………..          4

2. Экспериментальная часть…………………………………………………          7

       2.1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель………………………………………………………          7

       2.2.  Изменения поверхностного натяжения кусочком мыла…………          8

Заключение………………… ………………………………………………..           9

Приложения ………………………………………………………………….          11

                                            Введение

      Знания по физике нужны людям не только для изобретения и строительства сложных механизмов. Всё великое начинается с малого.  Именно проявляя интерес к физике со школьной скамьи, я может быть и не стану физиком, но полученные мною знания однозначно мне пригодятся в моей жизни.  Сила поверхностного натяжения, не так широка известна, как сила всемирного тяготения или сила трения, но своей работой я хочу показать, что эта сила не менее значима и  многие  обычные для нас действия  сопровождаются действием этой силой - силой поверхностного натяжения. Она играет большую роль в природе и технике, в физиологии нашего организма и жизни насекомых.

Предмет исследования – жидкость (вода, мыльный раствор).

Методы исследования:

 теоретический - сбор информации, анализ, синтез, обобщение; 

экспериментальный – постановка вопроса, проектирование исследования, сбор данных, анализ результатов, выводы по эксперименту.

Цель: исследовать поверхностные явления в жидкостях и изучить существенные методы определения коэффициента поверхностного натяжения на границе «жидкость – воздух».

Задачи данной работы:

1.     Изучить основы молекулярной физики, связанные с поверхностными явлениями в жидкостях.

2.     Изучить применение поверхностного натяжения, его роли в окружающей нас действительности.

3.     Определить экспериментально коэффициент поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель.

4.     Сравнить полученные данные с табличными значениями.

5.     Убедиться опытным путем в поверхностном натяжении воды.

1. Теоретическая часть.

     Есть  в окружающем нас мире одна сила, на которую мы обычно не обращаем особого внимания. Сила эта сравнительно невелика, ее действия никогда не вызывают мощных эффектов. Но все мы видели её действие, вспомните,  как все в детстве  строили башенки в песочнице, их можно построить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Мы во время рисования, обращали внимание,  что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды.

Многие даже не задумывались, почему так происходит? Это силы поверхностного натяжения. Удивительно разнообразны проявления поверхностного натяжения   жидкостей в природе  и технике. Силы поверхностного натяжения определяют форму и свойства капель жидкости, мыльного пузыря. Эти силы удерживают на поверхности воды стальную иглу и насекомое водомерку, удерживают влагу на поверхности ткани.

Почему это происходит и есть цель поставленная мной в  этой работе.
Совершенно очевидно, что внутри водяной капли существует какая-то сила притяжения, стягивающая все молекулы капли в единое целое. Сила, с которой молекулы притягиваются друг к другу, и придаёт капле округлую форму -  называется поверхностным натяжением. Она заставляет расположенные на поверхности жидкости молекулы плотнее прижиматься к внутренним молекулам. Таким образом, свободная поверхность воды действует   как пленка, которая стягивает всю массу капли воды в одно целое. 
          Пузырьки  в жидкости образуются тоже благодаря  поверхностному натяжению. Просто открыв кран с водой, можно увидеть, что падающая струя воды образует в месте падения пузырьки. Правда, эти пузырьки быстро пропадают. А почему это происходит?     Когда вода льется из крана, она  как бы смешивается  с воздухом и  часть воздуха  уносит с собой. Потом  она  смешивается  с  водой, уже  налитой  в  ванну, неся с  собой  воздушные  пузырьки-глобулы. Эти  глобулы  тотчас оказываются  под поверхностью воды, а падающая сверху струя отталкивает их во все  стороны. Постепенно пузырьки поднимаются  к поверхности неподалеку от того места, где  падает струя.  Поднимаясь, каждый из них натягивает поверхностную пленку, но не может ее разорвать из-за поверхностного натяжения. Вот так и образуются воздушные глобулы, которые покрыты  сверху тонкой практически невидимой пленкой молекул воды. 
Ещё в младших классах мы узнали и убедились на опытах, что жидкость не имеет своей формы. Она принимает форму сосуда, в которую налита.

      Но поверхность  жидкости не зависит от формы сосуда; она представляет на первый взгляд собой гладкую, как зеркало, плоскость. Но изучив материал про воду, я узнала, что это не совсем так. Оказывается, форма  поверхности  жидкости есть форма, концентричная  поверхности земного шара. Мы это не замечаем в быту, так же как и не замечаем что поверхность Земли, тоже не плоская. Для того, чтобы это заметить надо было бы иметь «стакан» слишком больших размеров. Поэтому в обычных чашках поверхность налитой жидкости можно принимать за горизонтальную плоскость.

Но присмотритесь повнимательней. Вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму. Это – следствие поверхностного натяжения, причину которого я хотела выяснить для себя.

     Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, но  силы поверхностного натяжения  не зависят  от площади поверхности жидкости. 
  Мы можем рассмотреть свободную поверхность жидкости, как границу раздела двух сред - вода и воздух, например.

    Молекулы, расположенные в тонком слое жидкости вблизи поверхности, находятся  в особых условиях. Она имеют одинаковых с ними соседей только с одной  стороны поверхности, в отличие  от молекул внутри жидкости, окруженных со всех сторон такими же молекулами. Поэтому  результирующая сила, действующая на молекулу в поверхностном слое, отлична  от нуля.

В СИ коэффициент  поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2). 
  Говоря  о величине σ- коэффициенте поверхностного натяжения, необходимо всегда указывать, к каким средам она относится.

 Силы поверхностного натяжения  действуют так, чтобы энергия  поверхностного натяжения принимала  наименьшее возможное  значение. Поэтому  поверхность  раздела  сред стремится  уменьшиться. «Стремление» поверхности жидкости сокращаться до возможного минимума, можно наблюдать на многих явлениях.

Еще Галилей задумывался над вопросом: почему капли росы, которые он видел по утрам на листьях капусты, принимают шарообразную форму? Утверждение, что жидкость не имеет своей формы, оказывается не вполне точным. Собственная форма жидкости – шар. Из всех других геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Шар – наиболее емкая форма. 
  Коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Природы жидкости (у “летучих” жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у “нелетучих” – воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно-активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

Статические методы: метод поднятия в капилляре,  метод лежачей капли, метод определения по форме висячей капли, метод вращающейся капли.

Динамические методы:  метод отрыва кольца. метод счета капель, метод максимального давления пузырька. метод осциллирующей струи, метод стоячих волн.

Я решала воспользоваться для исследования поверхностного натяжения жидкости - способом счёта капель.

2.  Экспериментальная часть

2.1. Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва капель.

Оборудование: весы, шприц, вода, мыльный раствор, этиловый спирт, растительное масло, штангенциркуль.

Цель работы: опытным путем определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей,  изучить явления поверхностного натяжения жидкости.

Ход работы: Коэффициент поверхностного натяжения определяем методом отсчёта капель.

1.     Из шприца  накапали 100 капель жидкости.М1- масса стакана без жидкости, М2- масса стакана почти того, как накапали 100 капель.

2.     При помощи весов определили  массу жидкости. m =М2 –М1

3.     Определили  массу одной капли, m₁₌m/N.

4.     По формуле  определили  коэффициент поверхностного натяжения жидкости, где диаметр капилляра = 0,002м. Радиус капилляра равен половине диаметра 0,001м

Результаты занесли в таблицу

№п/п	M1,кг	M2, кг	m, кг	m1, кг	N	r,м	Ϭ,Н/м	Ϭ, Н/м таблица
1	0,03	0.034	0,004	0,00004	100	0.001	0,063	0,07

Вывод: определили коэффициент поверхностного натяжения методом отсчёта капель.

2.2.  Изменения поверхностного натяжения кусочком мыла

Для данного опыта я взяла:

1) два маленьких куска мыла
2) белая керамическая миска
3) нож для резки бумаги 
4) острый карандаш 
5)молотый перец
6) вода
Этот опыт показывает, как можно изменить поверхностное натяжение воды, добавив к ней неорганическое растворимое вещество ,а именно- мыло.
Порядок действий 
1) Ножом я разрезала  пополам оба куска мыла. Смазав кончик пальца водой, сгладила  углы на мыле.

2)Наполнила  миску холодной водой и посыпала  воду молотым перцем, так чтобы на поверхности оказался тонкий слой перца

3) Осторожно воткнула острый конец карандаша в одну половину куска мыла. Остриё нужно воткнуть настолько , чтобы кусочек слабо держался на нём и его можно было легко стряхнуть.

4) Держась за карандаш, опустила  мыло в воду, так что бы его плоская сторона лишь чуть-чуть соприкоснулась с поверхностью воды. Понаблюдала за перцем.

5) Немного встряхнула  карандаш, чтобы мыло освободилось, и проследила за движением мыла в воде.

6) Освободила миску от воды и мыла, тщательно промыла её и высушила , чтобы не осталось остатков мыла. Опять налила  воду в миску и насыпала перец.

7) Вырезала  из одного конца второй половинки мыла стрелку. Надела   этот кусок на острый конец карандаша и опустила мыло в воду, наблюдая за перцем.
8) Освободила мыло, проследила за  его движением. 

9) Вырезала  из оставшихся половинок круг и фигурку с зазубринами. Намочив пальцы водой, сгладила края круга. Повторила  шаги 2-6 с этими фигурками.

Вывод:
Когда воды касается прямоугольный кусок мыла, плавающий перец отплывает от всех его сторон, но дальше всего он отплывает от углов. Когда кусок освобождается от карандаша , он не отплывает ни в какую сторону. Когда мыло в форме стрелы касается воды, перец начинает быстро убегать вдаль от острия стрелы. Когда мыло освобождается, оно уплывает в направлении, противоположном стреле.

 При круговой форме мыла перец равномерно удаляется от краёв круга, оставляя вокруг кусочка мыла ободок чистой воды, который медленно расширяется.

После освобождения мыло никуда не плывёт. Если по контуру фигурки имеются зазубринки, перец резко отскакивает от острых краёв.

 После освобождения от карандаша мыло сначала плывёт в одну сторону, а затем в другую.

                                              Заключение

        В своей работе я узнала о том, что такое поверхностное натяжение,  что является причиной данного явления. Сумела опытным путем определить коэффициент поверхностного натяжение жидкости, в данном случае- воды. Сравнила с табличным значением.

  Узнала, что мы часто не придаем значения - как данная сила – поверхностного натяжения - на самом деле нужна и полезна в нашей жизни. Я смогла исследовать только небольшую часть опытов, которые изучают данную силу.

   Я убедилась на опыте, что в своём стремлении сократиться поверхностная плёнка стремится придать жидкости сферическую форму, но препятствует сила тяготения. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объёмными (тяготением).

    Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в современных технологиях, полиграфии, технике.

    Но я считаю, что я ещё обязательно вернусь к изучению данного явления- поверхностного натяжения жидкости и узнаю для себя ещё много нового, а самое главное- я хочу и далее опытным путем подтверждать уже известные науке факты и возможно когда-нибудь, эти опыты и знания помогут мне открыть что-то новое.

ПРИЛОЖЕНИЯ: