Учебный проект по физике "Сила поверхностного натяжения"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное  учреждение средняя общеобразовательная школа №1 имени Гриши Акулова муниципального образования «Город Донецк»

         ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ            ПО ФИЗИКЕ

 «СИЛА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

                                                     Выполнили учащиеся 10 класса

                                                                      Ковалева Юлия

                                                                       Новик Елизавета

                                                      Руководитель учитель физики

                                                      Бабич Людмила Николаевна

                                                         2016 год

  Оглавление

1.      Введение

2.      Основная часть

2.1. Примеры явлений поверхностного натяжения в природе, жизни

2.2 Экспериментальные исследования:

        Опыт 1.  Метод отрыва петли. Плавающая иголка

         Опыт 2. С динамометром

         Опыт 3. С касторовым маслом (опыт Плато)

         Опыт 4  Как действует на воду мыло?

         Опыт 5. «Заколдованная непроливайка».

         Опыт 6.  «Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или   поверхностное натяжение мыльного раствора?»

Опыт 7.«Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение раствора сахара?»

2.3 Определение силы поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от рода жидкости

2.4   Жидкость в невесомости

2.5 Занимательный опыт «Распускающиеся на воде цветы»

3.      Заключение

4.      Используемая литература.

             1.  Введение       

  Физика – наука экспериментальная. В основе её лежат наблюдения и опыты, так что организация исследовательской деятельности учащихся при изучении физики – необходимые факторы, позволяющие повысить интерес  к науке. Исследовательская деятельность учащихся – это деятельность, связанная с решением школьниками творческой, исследовательской задачи с заранее неизвестным решением и предполагающая наличие основных этапов:

ü постановка проблемы;

ü изучение теории, посвящённой данной проблематике;

ü подбор методик исследования и практическое овладение ими;

ü сбор собственного материала;

ü анализ и обобщение;

ü собственные выводы.

     Цель  проекта: узнать побольше про поверхностное натяжение; проверить и сопоставить факты и наблюдения; получить выводы из наблюдений.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи: познакомиться  с явлением поверхностного натяжения; провести различные опыты; найти рисунки и фотографии, связанные с этой темой; подготовить презентацию по данной теме. В ходе исследования были рассмотрены свойства воды и её поверхностного натяжения.

Задачи проекта:

§  Изучить научный материал по поверхностным явлениям в жидкостях.

§  С помощью опытов выявить влияние примесей на поверхностное  натяжение воды.

§  Опытным путём установить зависимость коэффициента поверхностного натяжения подсолнечного масла от температуры σ(τ).

§  Вывести математическую зависимость σ(τ)

§  Рассмотреть способы определения поверхностного натяжения жидкости, подходящие  для проведения работ физического практикума.

§  Найти практическое применение результатов исследования.

   2.Основная часть

2.1. Примеры явлений поверхностного натяжения в природе, жизни

    Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обыденными с одной стороны, но вместе тем удивительными с другой стороны явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеем дело.

Все дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но так же не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду.

   Во время уроков рисования каждый из вас не раз замечал, что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды. Задумывался ли кто – то из вас, почему так происходит?

Почему водомерки так легко перемещаются по поверхности воды?

Попробуем дать объяснение этим явлениям.

Но прежде немного понаблюдаем за прекрасными созданиями природы – мыльными пузырями (форма, переливы красок). (выдуваем мыльные пузыри).

     В природе наряду с силами тяготения, трения, упругости есть менее заметные, но не менее важные: это силы поверхностного натяжения. Они бывают у жидкостей и твёрдых тел.

Сила поверхностного натяжения – это сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к её поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. Понятие «поверхностное натяжение» впервые ввёл Я. Сегнер в 1752 г. В природе и в быту силы поверхностного натяжения  играют большую роль.

Существует различные методы определения поверхностного натяжения: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др. Метод проволочной рамки и метод кольца применяются для грубых измерений поверхностного натяжения.

2.2 Экспериментальные исследования

 Опыт 1.  Метод отрыва петли. Плавающая иголка

Требуются: Пинцет. Иголка. Стакан. Вода.

Ход опыта

1. Наполним контейнер водой до краёв.

2. Пинцетом возьмём иглу и осторожно положим на поверхность воды в контейнере.

Результат: игла лежит на поверхности воды.

Вывод. Молекулы на поверхности воды образуют плёнку, способную выдержать вес лёгкого тела. Это явление называется поверхностным натяжением.  

2.2. Опыт с динамометром

Материалы: Динамометр. Вода .Ёмкость для воды. 4 нити одной длины.

Пластмассовая, прозрачная пластина.

Ход опыта

1.    Заполним ёмкость водой.

2.    Закрепим нити на пластине.

3.    К пружине динамометра подвесим на нитях пластину так, чтобы её нижняя поверхность была расположена горизонтально.

4.    Пластину поднесём к сосуду с водой так, чтобы она легла на поверхность воды.

С помощью динамометра оторвём пластину от поверхности воды

Результат: при отрывании пластины от воды пружина заметно растягивается.

Вывод. Это доказывает существование притяжения между молекулами пластины и молекулами воды. По растяжению пружины можно судить о том, насколько оно велико. Оторвав пластину, можно увидеть, что на ней остаётся тонкий слой воды, то есть пластина смочена водой. Значит, при отрывании пластины преодолевается притяжение между молекулами воды.

       Различные примеси по-разному влияют на коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Я продемонстрирую это следующим образом:

 Опыт 3. С касторовым маслом (опыт Плато)

Жозеф Плато – бельгийский учёный ХlХ века.

Материалы: Касторовое масло. Ёмкость с водой.Пипетка.

Ход опыта

1. Наполняю пробирку касторовым маслом.

Накапываю пипеткой воды в пробирку.

Результат. Капля воды, медленно опускаясь, находится в масле     практически в невесомости.

Вывод. Под действием сил     поверхностного натяжения капля воды принимает форму шара. Каплю воды легко окрасить в разные цвета акварельными красками.

Опыт 4.  Как действует на воду мыло?

Материалы:  Тальк. Вода.  Жидкое мыло. Тазик.

Ход опыта

1.    Наполняем ёмкость водой.

2.    Посыпаем поверхность воды тальком.

Пробуем проткнуть поверхность воды пальцем Продолжаем опыт!

3.    Обмакиваем палец в жидкое мыло, опускаем намыленный палец в воду недалеко от  края ёмкости.

Протыкаем пальцем поверхность воды, покрытую тальком.

Результат. При первом погружении намыленного пальца тальк быстро удаляется от этого места. При последующих погружениях пальца в тальке остаются «дырки».

Вывод. Мыло уменьшает силу поверхностного натяжения в месте погружения пальца. На остальном пространстве поверхностное натяжение оказывается сильнее, оно притягивает и удерживает тальк. Дырки, оставленные мыльным пальцем, не затягиваются потому, что мыло препятствует притяжению молекул.

Опыт 5. «Заколдованная непроливайка».

Берем мелкие монеты (штук 30-40). Наливаем полный стакан воды и узнаем: сколько из этих монет можно опустить в стакан с водой, пока она не выльется?  А теперь опускаем осторожно по одной монетке в стакан. Ну и что? Сколько поместилось? А как при этом менялась форма поверхностного слоя воды?     

Вывод: Поверхностное натяжение собирает воду. Если приглядеться, то видно, что мениск продолжает линию стенок стакана, возвышаясь дугой посередине.) Поверхностное натяжение стремится заключить воду как бы в мешочек. Если воды совсем мало, то  поверхностное натяжение придаёт ей форму шара – капли.

Опыт 6.  «Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение мыльного раствора?»

Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней мыла.

Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения мыльного раствора.

Материалы: три зубочистки, жидкость для мытья посуды, миска с чистой водой.    

Ход опыта:

·         Положили на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.

·         Смочили кончик третьей зубочистки в жидкости для мытья посуды (внимание: этой жидкости нужно совсем немного)

·         Окунули кончик третьей зубочистки в воду между двумя другими.

Вывод: две зубочистки быстро удаляются друг от друга, следовательно поверхностное натяжение уменьшилось.

 Опыт 7. «Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение раствора сахара?»

Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней сахара.

Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения раствора сахара.

Материалы: зубочистки, сахарный леденец, миска с чистой водой.

Ход опыта:

·         Положили на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.

·         Смочили сахарный леденец в чистой воде и окуните его в воду между двумя зубочистками.

Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга.

2.3 Определение силы поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от рода жидкости

Коэффициент поверхностного натяжения  рассчитали по формуле:

Записав  данные эксперимента в таблицу, построили графики:

1)  зависимости силы поверхностного натяжения и коэффициента поверхностного натяжения от температуры воды:

                              

и

2) зависимости силы поверхностного натяжения и коэффициента поверхностного натяжения от температуры подсолнечного масла (температура кипения подсолнечного масла равна 120^о С):

                                  

Таким образом, в ходе эксперимента убедились, что коэффициент поверхностного натяжения действительно уменьшается с ростом температуры любой жидкости.

2.4  Жидкость в невесомости

    В состоянии невесомости такую же сферическую форму принимает любая масса жидкости, так при отсутствии гравитации, между молекулами жидкости действует сила поверхностного натяжения.

Ю.А.Гагарин, впервые находясь в состоянии невесомости, писал: «…Невесомость — это явление для всех нас, жителей Земли, несколько странное. Но организм быстро приспосабливается к нему, испытывая исключительную легкость во всём. Что произошло со мной в это время? Я оторвался от кресла, повис между потолком и полом кабины. Переход к этому состоянию произошел очень плавно. Когда стало исчезать влияние гравитации, я почувствовал себя превосходно. Все вдруг стало делать легче. И руки, и ноги, и все тело стали будто совсем не моими. Они ничего не весили. Не сидишь, не лежишь, а как бы висишь в кабине. Все незакрепленные предметы тоже парят, и наблюдаешь их, словно во сне. И планшет, и карандаш, и блокнот… А капли жидкости, пролившиеся из шланга, приняли форму шариков, они свободно перемещались в пространстве и, коснувшись стенки кабины, прилипали к ней, будто роса на цветке».

        2.5 Занимательный опыт «Распускающиеся на воде цветы»

      3.  Заключение

 Работа имеет большое познавательное значение, вызывает интерес к физике и практической деятельности. Проведённое исследование подтвердило зависимость поверхностного натяжения от температуры: оно уменьшается с увеличением температуры жидкости.

Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине лёгкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Прогиб плёнки не позволит выливаться воде, осторожно налитой вчастое решето. Так что можно «носить воду в решете». Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение затрудняет просачивание воды сквозь неё, и потому она не промокает насквозь мгновенно.

 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). 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 радуги.

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

- Поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма. Например, считается, что организму более полезна жидкая кровь, тогда клеткам не надо тратить энергию на преодоление  поверхностного натяжения.

- Вода – жидкое вещество: её можно разливать, в неё можно погружать предметы.  На силу натяжения в значительной степени влияет химический состав воды.

- Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна:  без этих сил мы не могли бы писать чернилами;  нельзя было бы намылить; нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений; пострадали бы важные функции нашего организма

5.     Литература

1.    Ковалева С.Я. Об исследовательской и проектной деятельности учащихся // Физика в школе. № 16. 2010.

2.    Савенков А.И. Исследовательское обучение и проектирование в образовании // Исследовательская работа школьников, 2004..№ 1. 

3.    Никифоров Г.Г. Фронтальный эксперимент при переходе к стандарту второго поколения: от обычной школы к цифровой // Физика в школе, №16. 2010.

4.    Савенков А.И. Исследовательское обучение и проектирование в современном образовании // Исследовательская работа школьников. 2004. № 1. С. 22–31.

5.        Развитие исследовательских способностей обучающихся // Первое сентября, 2015 .№11