Методическая разработка урока " Поверхностное натяжение"

Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него:
вы можете заниматься всю жизнь его изучением,
не переставая извлекать из него уроки физики.
Уильям Томсон (лорд Кельвин).

Мыльный пузырь - самое красивое и самое 
совершенное, что существует в природе.
Марк Твен.

Цели урока:

• Познавательная: изучить процессы, происходящие на поверхности жидкости. Ознакомиться с механизмом поверхностного натяжения жидкости. Рассмотреть примеры поверхностного натяжения жидкости.

• Воспитательная: воспитывать умение логически мыслить, восторгаться явлениями природы

• Развивающая: развитие познавательного интереса, любознательности.

Подготовка к уроку:

• Оборудование для эксперимента: Мыльный раствор, каркасы из проволоки в виде параллелепипеда, тетраэдра, сферы, плоская рамка с подвижной стороной.

• ТСО: компьютер, проектор, презентация.

Ход урока

1. Организационный момент.

1. Проверка домашнего задания

Рассказать о процессе кипения -- 1

Рассказать о температуре кипения --1

Индивидуальные карточки (по теме влажность и кипение)-- 7

4. Вступительная беседа.

Учитель: дорогие ребята, сегодня мы с вами будем говорить об удивительных свойствах воды. Сначала давайте вспомним строение жидких тел.

Ученик: Жидкости состоят из молекул, расстояния между которыми сравнимы с размерами самих молекул. Молекулы колеблются относительно положений равновесия и перескакивают с одного места на другое, время "оседлой жизни" составляет примерно 10^-8 с. Жидкости текучи, практически несжимаемы. Они сохраняю объем, но меняют форму.

5. Новый материал. (приложение 1)

Проделаем эксперимент по выдуванию мыльных пузырей (слайд 2).

Телом слабый, но сияньем сильный,
Точно дух, пузырь явился мыльный.
Новелла Матвеева.

Вопросы: А почему пузыри имеют форму шара? А какие формы бывают у мыльных пленок?

Молекулы воды, находящиеся внутри жидкости, со всех сторон окружены другими молекулами воды. Равнодействующая сил, действующая на такую молекулу, равна нулю (слайд 3).

Совсем другая картина - на поверхности жидкости: молекулы имеют много соседей-молекул снизу и очень мало - сверху. Равнодействующая сил, действующая на каждую молекулу, будет направлена вглубь жидкости, перпендикулярно поверхности.

Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости, поэтому на поверхности жидкости остается меньше молекул, чем в любом слое внутри жидкости. И на поверхности образуется пленка. Жидкость как бы стремится втянуть в себя все молекулы поверхности и по возможности уменьшить свою поверхность.

Наименьшей поверхностью обладает шар. Поэтому жидкость, находящаяся только под воздействием силы тяжести принимает форму шара. Космонавты в космическом корабле могут это наблюдать. Падающая из открытого крана капля воды тоже имеет форму шара. Ученые используют капельная модель ядра. Красивые мыльные пузыри тоже шарообразные.

Можно посмотреть формы сингулярных мыльных пленок (поверхностей минимальной площади), которые образуются на проволочных каркасах, погруженных в мыльный раствор. Эксперимент: опускаем в мыльный раствор металлические каркасы в виде параллелепипеда, тетраэдра, сферы, получаем мыльные пленки разной формы (слайд 4).

Где еще в жизни мы имеем дело с поверхностями минимальной площади? Оказалось, что минимальные поверхности имеют мембраны - барабанные перепонки в нашем ухе; мембраны, служащие границами живых клеток; мембраны в живых организмах, отделяющие один орган от другого. Минимальные поверхности распространены в природе как наиболее экономичные поверхности, формирующие скелеты живых организмов.( слайд 5) Наиболее эффектный пример - скелеты радиолярий, микроскопических морских животных, имеющих самые разнообразные и экзотические формы. Радиолярии состоят из небольших кусочков протоплазмы, заключенных в пенообразные формы, наподобие мыльных пузырей и пленок.

Вернемся к поверхностному слою жидкости. Его молекулы, точно так же, как и молекулы нижних слоев, находятся в равновесии, которое достигается за счет некоторого уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их ближайшими соседями внутри жидкости. Известно, что при уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Молекулы поверхностного слоя упакованы более плотно, поэтому они обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости т.е. поверхностной энергией (слайд 6):

.

Поверхностной энергией обладают как жидкие, так и твердые тела. Ведь особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности жидкости, характерны также и для поверхности твердых тел. Поверхностная энергия уменьшается, если поверхность покрывают веществом, поверхностная энергия которого меньше, чем у жидкости. Например, если в воду добавить мыло, то молекулы этого вещества устремляются к поверхности и заполняют ее равномерным слоем. Оттесняя молекулы воды внутрь, молекулы мыла уменьшают, тем самым, поверхностное натяжение.

Мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать свою площадь, и , следовательно, минимизировать энергию натяжения, приходящуюся на единицу площади.

Любая молекула на плоской поверхности жидкости со всех сторон окружена другими молекулами, расположенными на том же уровне. Они действуют на нее с силами, равномерно распределенными по всем направлениям на плоскости и потому взаимно уравновешивающимися. Следовательно, на плоской поверхности нет сил поверхностного натяжения. Но когда поверхность жидкости разрывается, например, твердым телом, то на молекулы, находящиеся вблизи поверхности этого тела, действуют дополнительные силы со стороны его молекул. Эти силы могут и не уравновешиваться силами притяжения к молекулам самой жидкости. Вот тогда и появляются силы поверхностного натяжения. Они могут оказывать различные действия, в частности - изменять форму поверхности жидкости. Этим объясняется, например, появление мениска вблизи стенок сосуда с жидкостью Особенно резко выражены силы поверхностного натяжения в тонких пленках, возникающих на каркасах. Такие пленки не могут существовать без ограничивающего их поверхность твердого тела. Но когда тонкая пленка создается в виде мыльного пузыря, то она принимает форму шара, и никаких сил поверхностного натяжения не возникает. Таким образом, силы поверхностного натяжения возникают только в том случае, когда силы взаимодействия между молекулами перестают уравновешиваться.

Бельгийский ученый Жозеф Плато первым в XIX веке начал опыты по изучению конфигураций мыльных пленок: он выдувал мыльные пузыри и конструировал мыльные пленки, затягивающие проволочный контур. Оказалось,что мыльные пленки, образующиеся на каркасах, могут иметь значительные размеры. Но чем больше пленка, тем легче она лопается под действием силы тяжести.

Эксперимент: получение мыльной пленки на каркасе с подвижной стороной.

Итак, опустим в мыльную воду прямоугольный каркас из проволоки, одна сторона которого является подвижной, на нем образуется тонкая мыльная пленка (слайд 7).

Эта пленка сократит свою поверхность, и перекладина переместится наверх. Следовательно, со стороны жидкой пленки вдоль ее поверхности будет действовать сила F_н , касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости., сила поверхностного натяжения. (слайд 8).

Приложим к перекладине внешнюю силу F_внеш = F_н подвижная сторона сместится на , то работа этой силы будет равна

У мыльной пленки две поверхности, то  -приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки, где l = 2L - длина периметра, ограничивающего поверхность жидкости. Так как модули внешней силы и силы поверхностного натяжения одинаковы, то:

Коэффициент поверхностного натяжения равен отношению модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости. (слайд 9).

Коэффициент поверхностного натяжения зависит:

от рода жидкости: s _{чистой воды} = 73 мН/м, s _ртути = 510 мН/м (при 20 ° С),

от наличия примеси. Например, s _{мыльного раствора} = 40 мН/м,

от температуры. С увеличением температуры s воды уменьшается и становится равной 0 при критической температуре. (слайд 10)

Вы когда-нибудь наблюдали за процессом образования капли жидкости, ее отрывом и дальнейшим свободным падением? Сравнивали ее с мячом или воздушным шаром? А ведь они очень похожи, и не только по сферической форме. Внутри каждого из них давление сжатого воздуха больше атмосферного давления.

,

где р - избыточное над атмосферным давление. Как можно его вычислить?

Давайте попробуем (слайд 11). Разрежем мысленно каплю жидкости на две половинки. Каждая из них находится в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе разреза длиной , и сил избыточного давления сжатого воздуха, действующего на площадь сечения  . Условие равновесия:

Следовательно, избыточное давление, созданное одной искривленной поверхностью равно (слайд 12)

Мыльный пузырь - это тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью (слайд 13). Избыточное давление в мыльном пузыре больше, чем в капле воды так как в ней есть две поверхности: внешняя с радиусом R₁ и внутренняя с радиусом R₂ ). Но так как толщина мыльной пленки очень мала, то R₁ =R_2, тогда избыточное давление внутри мыльного пузыря равно

Таким образом, мыльный пузырь в свободном состоянии будет иметь почти в два раза больший радиус, чем обычная капля воды. Тогда полное давление внутри мыльного пузыря будет равным

Свободная мыльная пленка, натянутая на каркас произвольной формы и не образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.

Кстати, при -25°С мыльные пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при падении на землю!

Еще Галилео Галилей задумывался над вопросом, почему росинки принимают шарообразную форму. Отчего столь пристальное внимание привлекли тонкие пленки и мыльные пузыри, а также самая обычная пена? Дело в том, что разгадка общего механизма действия поверхностных сил привела к объяснению удивительно разнообразных природных явлений - от процесса образования капель до поведения жидкостей в живых организмах. Более того, понимание свойств поверхностного натяжения позволило активно использовать его в широком практическом диапазоне - от сельского хозяйства до космической техники. Исследования в этой области породили красивые и плодотворные аналогии. Так, при сооружении легких строительных конструкций сложных форм найти лучшее решение помогают: мыльные пленки, а построить первую теорию деления атомных ядер удалось, уподобив ядро:капле заряженной жидкости. (слайд 14)

6. Закрепление знаний (слайд 15)

Я прошу привести примеры поверхностного натяжения жидкости.

Ученики: Очень разнообразна роль поверхностных явлений в жизни живой природы. Например, поверхностная плёнка воды является опорой при движении многих организмов. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее интересны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок (слайд 16). Лапка водомерки, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней.

Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной плёнки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).

На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода собирается каплями (слайд 17). Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны "плавать " по поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.

При наблюдении различных явлений природы и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с проявлением сил поверхностного натяжения. Хорошо известно, что воплощение детских фантазий при строительстве сказочных дворцов возможно только тогда, когда песок будет достаточно влажным. Сухие песчинки не пристают друг к другу и из них ничего построить нельзя. Силы поверхностного натяжения очень наглядно проявляются и 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.

Смачивание поверхности. (приложение 2)

(слайд 3)

Форма капель жидкости, лежащих на какой-либо поверхности, не совсем шарообразная: они приплюснуты силой тяжести. Кроме того, в зависимости от природы жидкости и от вещества поверхности, жидкость может либо растекаться по ней, либо нет. Например, капля воды растекается по деревянной поверхности, а капля ртути не растекается и имеет форму, близкую к шарообразной. Такое различие в поведении жидкостей, соприкасающихся с твердым телом, зависит от того, какие силы притяжения преобладают: между молекулами жидкости и твердого тела или между молекулами жидкости.

1. Краевой угол смачивания.(слайд 4)

Явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела, называется смачиванием. Смачивание характеризуется углом между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, его называют краевым углом или углом смачивания. Если жидкость растекается по поверхности, говорят, что она смачивает эту поверхность и краевой угол является острым, если не растекается - то не смачивает и краевой угол - тупой. При полном смачивании краевой угол равен 0°, а при полном несмачивании - 180°.

Смачивание наблюдается в том случае, если частицы жидкости взаимодействуют друг с другом слабее, чем с частицами твердого тела. В противном случае наблюдается несмачивание. Для усиления смачивания поверхности водой необходимо уменьшить коэффициент поверхностного натяжения. Для этого достаточно подогреть воду или использовать поверхностно-активные вещества, к которым, в частности, относятся стиральные порошки.

1. Образование мениска.

Если жидкость находится в сосуде, то в месте соприкосновения поверхностного слоя жидкости со стенкой сосуда поверхность жидкости искривляется, образуется мениск. В зависимости от того, смачивает жидкость поверхность стенки или нет, образуются вогнутые или выпуклые мениски.

1. Капиллярные явления.(слайд 5)

Вследствие образования менисков могут наблюдаться капиллярные явления: изменение уровня жидкости в очень тонких трубках - капиллярах. Если диаметр капилляра мал, то мениски, образующиеся у его стен, сливаются друг с другом, образуя поверхность, близкую к сферической. Силы поверхностного натяжения действуют по касательной к поверхности жидкости вдоль всей границы ее поверхности. В данном случае граница - это окружность, диаметр которой равен диаметру капилляра.

1. Изменение уровня жидкости в капилляре.(слайд 6,7)

Изменение уровня жидкости прекращается в тот момент, когда действие силы поверхностного натяжения уравновешивается силой тяжести поднявшегося столбика жидкости. Из равенства этих сил можно выразить значение высоты h, на которую поднялся уровень жидкости в капилляре:

m = ρV = ρhπr²,

где m - масса жидкости в капилляре, ρ - плотность жидкости, V - объем капилляра, r - радиус капилляра.

mg = Fσ

Сила поверхностного натяжения: Fσ = σ2πrcosΘ

Получаем: ρhπr²g = σ2πrcosΘ h = 2 σ cosΘ/ ρrg

Если жидкость смачивает стенки капилляра, сливающиеся мениски образуют вогнутую поверхность. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения действует вверх вдоль стенок сосуда, что приводит к подъему уровня жидкости.

Если жидкость не смачивает стенок капилляра, сливающиеся мениски образуют выпуклую поверхность. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения действует вниз вдоль стенок сосуда, что приводит к опусканию уровня жидкости на некоторую глубину. Изменение уровня жидкости прекращается в тот момент, когда действие силы поверхностного натяжения уравновешивается силой давления со стороны окружающей жидкости на этой глубине. В результате рассуждений, аналогичных приведенным в случае для смачивания, получается формула для расчета глубины опускания уровня жидкости в капилляре:

h = 2 σ cosΘ/ ρrg

1. Капиллярные явления в природе.

Капиллярные явления широко распространены в природе. Например, благодаря этому явлению происходит подъем жидкости по волокнам растений, ряд тел (вата, почва, бетон) обладают способностью впитывать влагу (гигроскопичность тел). Чтобы предотвратить подъем влаги из почвы на поверхность и ее дальнейшее испарение, применяют боронование, при котором происходит разрушение почвенных капилляров.

В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры.

В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для подачи чернил и т. п.

Закончу урок высказыванием, которое прочитала в интернете: (слайд 18)

Мыльные пузыри - это состав из мыла, улыбок, радости, детского смеха и чувства, что ты счастлив.

7. Домашнее задание.