Урок физики по теме "Поверхностное натяжение". 10-й класс

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.