Как можно изменить коэффициент поверхностного натяжения жидкости физика 10 класс гдз

Поверхностное натяжение.

Это
напряженное состояние поверхностного
слоя жидкости, вызванное силами
взаимодействия между молекулами,
находящимися в верхнем слое жидкости.

рис.19

Сила
поверхностного натяжения
– горизонтальная составляющая всех
сил, действующих на молекулу, находящуюся
в поверхностном слое жидкости.

Рассмотрим
молекулу жидкости, находящуюся в
поверхностном слое, и другую молекулу,
которая находится внутри объема
жидкости(рис.19). Равнодействующая всех
сил, действующих на молекулу, находящуюся
внутри объема жидкости, равна нулю, так
как эта молекула со всех сторон окружена
такими же молекулами, и между ними
действуют силы взаимного притяжения.
А равнодействующая всех сил, действующих
на молекулу, находящуюся в поверхностном
слое жидкости, не равна нулю и направлена
внутрь объема жидкости. Это объясняется
тем, что сверху молекула поверхностного
слоя жидкости окружена молекулами
воздуха, расстояние между которыми
значительно больше чем расстояние между
молекулами жидкости, а значит и силы
притяжения между молекулами воздуха и
жидкости меньше сил взаимодействия
между молекулами самой жидкости, которыми
рассматриваемая молекула окружена
снизу. Поэтому каждая молекула
поверхностного слоя жидкости втягивается
внутрь объема жидкости, и, таким образом,
на поверхности создается особый слой
молекул, находящийся в напряженном
состоянии.

Пленка
поверхностного натяжения всегда
стремится сократить площадь поверхности.

— коэффициент
поверхностного натяжения

— длина контура,
ограничивающего поверхность жидкости

Поверхностно
активные вещества

Существуют такие
вещества, называемые поверхностно
активными, которые могут изменять
коэффициент поверхностного натяжения
жидкостей. К таким веществам относятся,
например, мыло, которое уменьшает
коэффициент поверхностного натяжения
воды. Также по отношению к воде поверхностно
активными являются нефть, спирт, эфир
и многие другие жидкие и твердые вещества.

1.2. Жидкость в капиллярах.

Капиллярные
явления. Капиллярами
называют сосуды с маленьким поперечным
сечением (внутренний диаметр меньше
1мм). Важная особенность капилляров
заключается в том, что поверхность
жидкости в них искривлена за счет
смачивания и несмачивания.

Искривленная
форма поверхности жидкости в капиллярной
трубке носит название мениска.

Мениск
в зависимости от смачивания несмачивания
бывает соответственно:

вогнутым
и выпуклым

Изогнутость
поверхности жидкости в капилляре
обусловлена поверхностным натяжением.

смачивание
несмачивание

рис.20

Под
искривленной поверхностью жидкости в
капилляре действует добавочное давление,
обусловленное поверхностным натяжением.
Добавочное давление стремится сделать
изогнутую поверхность жидкости плоской.

Кроме
того, действует гидравлическое или
нормальное давление – давление жидкости
на дно сосуда. Нормальное давление
направлено всегда вниз, к дну сосуда. А
дополнительное давление при смачивании
направлено вверх. Поэтому в капиллярной
трубке при смачивании гидравлическое
давление меньше на величину
.
И, чтобы скомпенсировать действие
дополнительного давления, жидкость в
капилляре поднимается на определенную
высоту (рис.20). При несмачивании
дополнительное давление направлено
вниз и совпадает с гидравлическим.
Поэтому это давление больше на величину.
Не смачиваемая жидкость опускается в
капилляре на некоторую высоту, чтобы
скомпенсировать действие добавочного
давления. Высота поднятия смачивающей
жидкости в капилляре определяется по
формуле:

Борелли-Жюрена

Высота
зависит от поверхности натяжения, от
рода жидкости, от радиуса капилляра.

Добавочное
давление под искривленной поверхностью
жидкости определяется по формуле
Лапласса.

и
— радиусы кривизны двух взаимно
перпендикулярных сечений поверхности
жидкости.

Если
поверхность жидкости имеет сферическую
форму, то формула Лапласа принимает
вид:

Дополнительное
давление под искривленной поверхностью
жидкости прямо пропорционально
коэффициенту поверхностного натяжения
жидкости и обратно пропорционально
радиусу кривизны поверхности жидкости.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Лабораторная работа № 5 

   Тема: «ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ»

   Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

   Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

Выполнение работы. 

1. Начертили таблицу:

Вычисляем поверхностное натяжение по формуле

Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:  

Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 4,167% совпадает с табличным значением.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами — уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.

3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g — ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.

4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула  . 

По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.

5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.

Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.

Содержание:

Поверхностное натяжение жидкости:

В отличие от газов жидкости имеют свободную поверхность. Молекулы, расположенные на поверхности жидкости, и молекулы внутри жидкости находятся в разных условиях:

a) молекулы внутри жидкости окружены другими молекулами жидкости со всех сторон. Молекула 1 внутри жидкости испытывает действие соседних молекул со всех сторон, поэтому равнодействующая сил притяжения, действующих на нее, равна нулю (f; молекула 1);

b) молекулы на поверхности жидкости испытывают действие со стороны соседних молекул жидкости только сбоку и снизу. Притяжение со стороны молекул газа (пара жидкости или воздуха) над жидкостью во много раз слабее, чем со стороны молекул жидкости, поэтому не принимаются во внимание (f; молекула 2). В результате каждая из равнодействующих сил 

Сила поверхностного натяжения

Сила поверхностного натяжения — это сила, направленная по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к линии, ограничивающей поверхность жидкости, и стремящаяся сократить площадь поверхности жидкости. Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине границы соприкосновения свободной поверхности жидкости с твердым телом:

Здесь — сила поверхностного натяжения жидкости, — длина границы соприкосновения свободной поверхности жидкости с твердым телом,  (сигма) — коэффициент поверхностного натяжения:

Коэффициент поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения — численно равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости:

Значение коэффициента поверхностного натяжения зависит от вида жидкости и ее температуры, то есть с увеличением температуры жидкости коэффициент его поверхностного натяжения уменьшается и при критической температуре равен нулю. Единица коэффициента поверхностного натяжения в СИ:

Смачивающая и несмачивающая жидкость. При внимательном рассмотрении можно увидеть искривление поверхности жидкости на границе между жидкостью и твердым телом.

Мениск — это искривление свободной поверхности жидкости в месте ее соприкосновении с поверхностью твердого тела (или другой жидкости). Угол между поверхностью мениска и поверхностью твердого тела называется краевым углом.

Значение краевого угла  (тетта) зависит от того, является ли жидкость смачивающей или несмачивающей твердое тело:

Смачивающая жидкость —это жидкость, у которой краевой угол острый. Сила взаимного притяжения между молекулами смачивающей жидкости и твердого тела больше, чем силы взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. В результате свободная поверхность жидкости в сосуде становится вогнутой, например, вода в стеклянном сосуде — смачивающая жидкость (g).

Несмачивающая жидкость — это жидкость, у которой краевой угол тупой. Сила взаимного притяжения между молекулами несмачивающей жидкости и твердого тела меньше, чем сила взаимного притяжения между молекулами самой жидкости. В результате свободная поверхность жидкости в сосуде бывает выпуклой, например, ртуть в стеклянном сосуде — несмачивающая жидкость (i).

Капиллярные явления

В повседневной жизни встречаются и используются тела, с легкостью впитывающие в себя воду, например, полотенце, промокательная бумага, сахар, кирпич, растения и др. Это свойство в телах объясняется существованием в них большого количества очень узких трубочек — капилляров.

Капилляр — это узкая трубка (канал) диаметром меньше  м. Уровень жидкости внутри капилляра, опущенного в жидкость, в зависимости от ее свойств (смачивающая или несмачивающая), отличается от общего уровня жидкости:

Капиллярными явлениями называют явления подъема смачивающей и опускания несмачивающей жидкости по капилляру относительно общего уровня жидкости под действием сил поверхностного натяжения (j).

В таблице 6.4 дана зависимость между величинами, характеризующими жидкость, поднимающуюся в капилляре.

Таблица 6.4

Характеристики жидкости, поднимающейся в капилляре	Формула
Вес жидкости, поднимающейся в капилляре	Где — радиус капилляра, — диаметр капилляра.
Масса жидкости, поднимающейся в капилляре
Высота жидкости, поднимающейся в капилляре	Если жидкость полностью смачиваемая, то получаем в Где — плотность жидкости, поднимающейся в капилляре. Высота подъема жидкости в капилляре зависит от рода жидкости и обратно пропорциональна радиусу капилляра.
Давление жидкости, поднимающейся в капилляре

Поверхностное натяжение жидкости

Некоторые виды пауков могут передвигаться по поверхности воды не проваливаясь, как будто эта поверхность покрыта невидимой тонкой пленкой. такое же впечатление создается, если наблюдать за вытеканием воды из маленького отверстия — вода течет не тоненькой струйкой, а образует капли. Бумажная салфетка впитывает воду, едва коснувшись ее поверхности. какая сила является причиной всех этих явлений?

Каковы особенности поверхностного слоя жидкости

На свободной поверхности жидкости молекулы находятся в особых условиях, отличающихся от условий, в которых находятся молекулы внутри жидкости. Рассмотрим две молекулы — А и Б (рис. 33.1): молекула А находится внутри жидкости, а молекула Б — на ее поверхности. Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, то есть их равнодействующая равна нулю.

Молекула Б с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой — молекулами газа. Со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, чем со стороны газа, поэтому равнодействующая  F межмолекулярных сил направлена в глубь жидкости. Чтобы молекула из глубины попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против межмолекулярных сил. Это означает, что молекулы поверхностного слоя жидкости (по сравнению с молекулами внутри жидкости) обладают избыточной потенциальной энергией. Эта избыточная энергия является частью внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией (Wпов). Очевидно, что чем больше площадь S поверхности жидкости, тем больше поверхностная энергия: W S пов = σ , где σ (сигма) — коэффициент пропорциональности, который называют поверхностным натяжением жидкости.

Поверхностное натяжение жидкости — физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости:

Единица поверхностного натяжения в СИ — ньютон на метр:

Поверхностное натяжение жидкости определяется силами межмолекулярного взаимодействия, поэтому оно зависит:

1. от природы жидкости: у летучих жидкостей (эфир, спирт, бензин) поверхностное натяжение меньше, чем у нелетучих (ртуть, жидкие металлы);
2. температуры жидкости: чем выше температура жидкости, тем меньше поверхностное натяжение;
3. присутствия в составе жидкости поверхностно активных веществ — их наличие уменьшает поверхностное натяжение;
4. свойств газа, с которым жидкость граничит. В таблицах обычно приводят значение поверхностного натяжения на границе жидкости и воздуха при определенной температуре (табл. 1).

Таблица 1

Поверхностное натяжение σ некоторых жидкостей

Что такое сила поверхностного натяжения

Поскольку поверхностный слой жидкости обладает избыточной потенциальной энергией (), а любая система стремится к минимуму потенциальной энергии, то свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь (сжаться). То есть вдоль поверхности жидкости действуют силы, которые пытаются стянуть эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на натянутую резиновую пленку, однако упругие силы в резиновой пленке зависят от площади ее поверхности (от того, насколько пленка деформирована), а поверхность жидкости всегда «натянута» одинаково, то есть силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости. Наличие сил поверхностного натяжения можно доказать с помощью такого опыта. Если проволочный каркас с закрепленной на нем нитью опустить в мыльный раствор, каркас затянется мыльной пленкой, а нить приобретет произвольную форму (рис. 33.2, а).

Если осторожно проткнуть иглой мыльную пленку по одну сторону от нити, сила поверхностного натяжения мыльного раствора, действующая с другой стороны, натянет нить (рис. 33.2, б). Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна. На рамке образуется мыльная пленка (рис. 33.3). Будем растягивать эту пленку, действуя на перекладину (подвижную сторону рамки) с некоторой силой .

Если под действием этой силы перекладина переместится на ∆x , то внешние силы совершат работу: За счет совершения этой работы площади обеих поверхностей пленки увеличатся, а значит, увеличится и поверхностная энергия: где — увеличение площади двух поверхностей мыльной пленки. Приравняв правые части полученных равенств, получим: , или:

Таким образом, поверхностное натяжение σ численно равно силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины l линии, ограничивающей поверхность:

С одним из методов определения поверхностного натяжения жидкости вы ознакомитесь, выполняя лабораторную работу № 7.

• Заказать решение задач по физике

Где проявляется поверхностное натяжение

В жизни вы постоянно сталкиваетесь с проявлениями сил поверхностного натяжения. Так, благодаря ему на поверхности воды удерживаются легкие предметы (рис. 33.4) и некоторые насекомые.

Рис. 33.4. Монетка удерживается на поверхности воды благодаря силе поверхностного натяжения. (Чтобы провести такой опыт, монетку нужно потереть между пальцев и осторожно опустить на поверхность воды.)

Когда вы ныряете, ваши волосы расходятся во все стороны, но как только вы окажетесь над водой, волосы слипнутся, так как в этом случае площадь свободной поверхности воды намного меньше, чем при раздельном расположении прядей в воде. По этой же причине можно лепить фигуры из влажного песка: вода, обволакивая песчинки, прижимает их друг к другу.

Рис. 33.5. Капля удерживается около небольшого отверстия до тех пор, пока сила поверхностного натяжения уравновешивает силу тяжести

Стремлением жидкости уменьшить площадь поверхности объясняется и тот факт, что в условиях невесомости вода принимает форму шара, — при заданном объеме шарообразной форме соответствует наименьшая площадь поверхности. Форму шара приобретают тонкие мыльные пленки (мыльные пузыри). Поверхностным натяжением объясняется образование пены: пузырек газа, достигнув поверхности жидкости, имеет над собой тонкий слой жидкости; если пузырек мал, то архимедовой силы недостаточно, чтобы разорвать двойной поверхностный слой, и пузырек «застревает» вблизи поверхности. Благодаря поверхностному натяжению жидкость не выливается из маленького отверстия тоненькой струйкой, а капает (рис. 33.5), дождь не проливается через ткань зонта или палатки и т. д.

Почему одни жидкости собираются в капли, а другие растекаются

Наличие сил поверхностного натяжения проявляется в сферической форме мелких капелек росы, в каплях воды, разбегающихся по раскаленной плите, в капельках ртути на поверхности стекла. Однако при соприкосновении с твердым телом сферическая форма капли, как правило, не сохраняется. Форма свободной поверхности жидкости зависит также от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость не смачивает поверхность твердого тела (рис. 33.6). Например, ртуть не смачивает стекло, а вода не смачивает покрытую сажей поверхность.

Рис. 33.6. Капля несмачивающей жидкости принимает форму, близкую к сферической, а поверхность жидкости вблизи стенки сосуда является выпуклой

Если же капельку ртути поместить на цинковую пластину, то капелька будет стремиться растечься по поверхности пластины; так же ведет себя и капелька воды на стекле (рис. 33.7). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, жидкость смачивает поверхность твердого тела.

Рис. 33.7. Капля смачивающей жидкости стремится растечься по поверхности твердого тела, а вблизи стенки сосуда поверхность жидкости принимает вогнутую форму

Почему жидкость поднимается в капиллярах

В природе часто встречаются тела, пронизанные многочисленными мелкими капиллярами (от лат. capillaris — волосяной) — узкими каналами произвольной формы. Такую структуру имеют бумага, дерево, почва, многие ткани и строительные материалы. В цилиндрических капиллярах искривленная поверхность жидкости представляет собой часть сферы, которую называют мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 33.8, а), а у несмачивающей — выпуклый (рис. 33.8, б).

Рис. 33.8. капиллярные явления: а — смачивающая жидкость поднимается по капилляру; б — несмачивающая жидкость опускается в капилляре

Поверхность жидкости стремится к минимуму потенциальной энергии, а искривленная поверхность обладает большей площадью по сравнению с площадью сечения капилляра, поэтому поверхность жидкости стремится выровняться и под ней возникает избыточное (отрицательное или положительное) давление — лапласово давление ().

Под вогнутой поверхностью (жидкость смачивает капилляр) лапласово давление отрицательное и жидкость втягивается в капилляр. Так поднимаются влага и питательные вещества в стеблях растений, керосин по фитилю, влага в почве. Вследствие лапласового давления салфетки или ткань впитывают воду, брюки в дождливую погоду сильно намокают снизу и т. д. Под выпуклой поверхностью (жидкость не смачивает капилляр) лапласово давление положительное и жидкость в капилляре опускается. Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема (или опускания) жидкости (см. задачу ниже).

Пример решения задачи

Капиллярную трубку радиусом r одним концом опустили в жидкость, смачивающую внутреннюю поверхность капилляра. На какую высоту поднимется жидкость в капилляре, если плотность жидкости ρ, а ее поверхностное натяжение σ ? Чему равно лапласово давление под вогнутой поверхностью капилляра? Смачивание считайте полным.

Решение:

На жидкость в капилляре действуют сила тяжести и сила поверхностного натяжения ( направлена вертикально вверх (по касательной к поверхности мениска). Подъем жидкости в капилляре будет продолжаться до тех пор, пока сила тяжести поднятого столба жидкости не уравновесит силу поверхностного натяжения: mg = ( *), где m — масса жидкости.

Поиск математической модели, решение

Поскольку m V = ρ , а объем воды в цилиндрическом капилляре , (длина окружности), следовательно, Подставим выражения для m и в равенство (*): Для определения лапласова давления под поверхностью мениска воспользуемся тем фактом, что в однородной неподвижной жидкости давление на одном уровне (у нас — на уровне АВ) одинаково, то есть:

где R — радиус кривизны мениска (при полном смачивании r=R).

Ответ: (Данные выводы следует запомнить!)

Выводы:

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.

2. 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.

3. Новый материал.

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)

4. 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.

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

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

5. Домашнее задание. А.А. Пинский,
Физика-10, параграф 22

Использованная литература.

1. А.Т.Фоменко Минимальные поверхности, Квант №6,
   1983.
2. С.М.Козел Физика 10-11, пособие для учащихся и
   абитуриентов, часть 1, Мнемозина, Москва, 2010.
3. Физика, учебник для 10 класса с углубленным
   изучением физики под редакцией А.А. Пинского , О.Ф
   .Кабардина, Просвещение, Москва ,2009.
4. А так ли хорошо вам знакомо поверхностное
   натяжение? Квант №3, 2005.