Пример проекта для учащихся 10-х классов с использованием цифровой лаборатории Архимед.
Введение
В процессе проведения физического практикума необходимо научить учащегося творчески подходить к исследовательской работе, правильно выбирать методику эксперимента и измерительные приборы.
Ученики должны научиться понимать и применять теорию изучаемого явления [6].
Сознательное выполнение эксперимента, внимательность и сосредоточенность на процессе измерений, бережное отношение к приборам – необходимые условия успешного проведения опыта [7].
Учащийся заранее должен ознакомиться с установкой, на которой ему предстоит выполнять лабораторную работу, и сделать ориентировочные измерения.
Многие учителя физики проводят в настоящее время те или иные работы, связанные с физическим экспериментом: организуют практикумы, различные физические кружки, дают домашние экспериментальные задания и т.д. Среди этих разнообразных форм обучения, приводящих к всестороннему развитию учащихся, особенно большое значение имеют классные лабораторные работы [10].
Таким образом, лабораторный эксперимент учащихся становится необходимым звеном в процессе обучения, значительно помогающим усвоению материала, как и демонстрационные опыты [4].
Всё вышеизложенное объясняет актуальность темы: явление поверхностного натяжения входит в обязательный минимум содержания определяемый государственным образовательным стандартом, особенно в школах теоретическое обучение необходимо подтверждать экспериментом (хотя не отводится время на изучение этой темы)
Объект исследования: процесс обучения физике в средней школе и вузе в области изучения строения и свойств жидкости.
Дети хорошо знают, что “куличики” можно построить из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу.
Но также не пристают друг к другу песчинки, целиком погруженные в воду. Когда во время купанья человек окунется с головой в воду, его волосы расходятся в воде во все стороны, но стоит только высунуть голову из воды, как волосы тотчас лягут на голове слипшимися слоями.
Чем это можно объяснить?
Проблема: Почему проявления поверхностного натяжения жидкости в природе и технике, в физиологии нашего организма и в жизни насекомых играет важную роль.
Цель: Исследовать поверхностное натяжение и изучить существенные методы определения поверхностного натяжения, выяснить какую роль они играют в природе и жизни человека.
Задачи исследования:
1. Изучить структуру жидкости, явление поверхностного натяжения.
2. Изучить методы измерения поверхностного натяжения жидкости.
3. Используя доступные методы, измерить поверхностное натяжение.
4. Представить в виде таблиц и графиков результаты измерений поверхностного натяжения.
5. Сравнить результаты исследований и данные в таблицах.
К вызываемым поверхностным натяжением эффектам мы настолько привыкли, что не замечаем их, если не развлекаемся пусканием мыльных пузырей. Однако в природе и нашей жизни они играют немалую роль.
Существует достаточно много различных методов 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.
1. Метод пузырька.
“Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики”, – писал великий английский физик лорд Кельвин.
В частности, мыльная пленка является прекрасным объектом для изучения поверхностного натяжения. Сила тяжести здесь практически роли не играет, так как мыльные пленки чрезвычайно тонки и их масса совершенно ничтожна. Поэтому основную роль играют силы поверхностного натяжения, благодаря которым форма пленки всегда оказывается такой, что ее площадь минимально возможная в данных условиях. Почему пленка обязательно мыльная? Все дело в структуре мыльной пленки. Мыло богато так называемыми поверхностно-активными веществами, концы длинных молекул которых по-разному относятся к воде: один конец охотно соединяется с молекулой воды, другой к воде безразличен. Поэтому мыльная пленка обладает сложной структурой: образующий ее мыльный раствор как бы “армирован” частоколом упорядоченно расположенных молекул поверхностно-активного вещества, входящего в состав мыла.
Вернемся к мыльным пузырям. Наверное, каждому доводилось не только наблюдать эти удивительно красивые творения, но и пускать их. Они сферичны по форме и долго могут свободно парить в воздухе. Давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем обстоятельством, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем, чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.
Свободная поверхность жидкости стремится сократиться. Это можно наблюдать в случае, когда жидкость имеет форму тонкой пленки. Примером такого состояния могут служить мыльные пленки, подобные тем, которые вы получили в детстве, выдувая мыльные пузыри. Так как толщина мыльных пленок очень мала, жидкость в пленке можно рассматривать как два поверхностных слоя, не учитывая влияния молекул, находящихся между слоями. Получив мыльный пузырь от трубки, с помощью которой он был получен. Вы заметите, что пузырь уменьшается. Это свидетельствует о сокращении поверхности мыльной пленки.
2. Метод проволочной рамки.
Возьмите проволочный четырехугольный каркас и соедините его противоположные вершины тонкой ненатянутой нитью. Опустив каркас в мыльную воду, вы заметите, что вытянутый из воды каркас затянут мыльной пленкой. Проколов пленку по одну сторону нити, вы увидите, что нить примет форму дуги. Опыт свидетельствует о том, что поверхность мыльной пленки сокращается.
Свойство поверхности жидкости сокращается можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называют силами поверхностного натяжения.
С помощью описанного ниже опыта можно найти способ измерения сил поверхностного натяжения. Если опустить в мыльную воду проволочный каркас, вынув его из воды, легко заметить, что верхняя часть каркаса (до упора) затянута мыльной пленкой. Если потянуть за подвижную сторону этой рамки вниз, то пленка растянется, а если подвижную сторону отпустить, то пленка сократится.
Пленка, образовавшаяся на рамке, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности.
Поверхностное натяжение измеряется силой, с которой поверхностный слой действует на единицу длины того или иного контура на свободной поверхности жидкости по касательной к этой поверхности. В Международной системе единиц эта величина измеряется в ньютонах на метр (1 Н/м).
3. Метод капли.
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у плохо закрытого или неисправного крана. Пока капля мала, она не отрывается: ее удерживают силы поверхностного натяжения (поверхностный слой выполняет роль своеобразного мешочка). Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Отрыв капли происходит в тот момент, когда ее вес становится равным равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль окружности шейки капли. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность.
В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведет себя как растянутая эластичная пленка.
А видели вы когда-нибудь очень большие капли?
В обычных условиях таких капель нет. И это не случайно – капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.
4. Роль поверхностного натяжения в жизни.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Осторожно положите иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть. По этой же причине легкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.
Прогиб пленки не позволит выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Так что можно “носить воду в решете”. Это показывает, как трудно порой, даже при желании, сказать настоящую бессмыслицу. Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и потому она не промокает насквозь мгновенно.
В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют поверхностные силы по сравнению с объемными (тяготением). Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга. Не будь капли сферическими не было бы, как показывает теория, и радуги.
Существуют целые виды насекомых мелких и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения:
1. Муравей, пытающийся напиться из капли росы. Капля “сминается”, но сила поверхностного натяжения не дает насекомому проникнуть в нее языком. Это вода, которая не течет, вода, которую трудно пить.
2. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лап. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.
- Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар;
- Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы;
- Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений;
- Пострадали бы важные функции нашего организма.
Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их нет никакой возможности. Но почему возникают эти силы, мы обязаны хотя бы кратко рассказать.
Если большая группа индивидуумов наделена свойством притягивать друг друга или индивидуумы по своей воле устремляются друг к другу, то результат будет один: они соберутся в ком, подобный пчелиному рою. Каждый индивидуум “стремится” внутрь этого кома, в результате чего поверхность кома сокращается, приближаясь к сфере. Перед вами модель возникновения поверхностного натяжения.
Молекулы воды (или другой жидкости), притягиваемые друг к другу силами Ван-дер-Ваальса,— это и есть собрание индивидуумов, стремящихся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается своими собратьями и потому имеет тенденцию к погружению вглубь как в жидких, так и в твердых телах. Но жидкость, в отличие от твердых тел, текуча из-за перескоков молекул из одного “оседлого” положения в другое. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объеме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и мы воспринимаем это как поверхностное натяжение.
Здесь обнаруживается, что происхождение поверхностных сил совсем иное, чем упругих сил растянутой резиновой пленки. И это действительно так. При сокращении резины упругая сила ослабевает, а силы поверхностного натяжения никак не меняются по мере сокращения поверхности пленки, так как среднее расстояние между молекулами не меняется.
Таким образом, возникновение поверхностных сил нельзя объяснить столь просто и наглядно, как сил упругости, где все связано с изменением расстояний между молекулами. Здесь все сложнее, ибо силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости без изменения ее объема.
Рассмотрены методы и технические средства сбора нефтепродуктов с поверхности воды. На основе анализа, в том числе и теоретического, с учетом зарубежного опыта обоснован приоритет метода сбора нефти с поверхности небольших акваторий за счет сил поверхностного натяжения, а при аварийных разливах – приоритет метода центробежной сепарации в поле слабых сил.
Нефть и ее продукты в водах поверхностного стока могут находиться в двух состояниях. Первое состояние – эмульсионное, когда двухфазная жидкость представляет собой неоднородную систему, которая состоит из капель воды, распределенных между молекулами нефти или ее продуктов. Размер частиц в эмульсиях составляет10-7 – 10-5 м. Второе состояние – стратифицированная жидкость, независимо от толщины нефти или ее продуктов на поверхности воды.
При эмульсионном состоянии нефти и ее продуктов в воде их выделение наиболее доступно следующими методами:
- сепарация в поле больших центробежных сил. Метод реализуется на центрифугах и характеризуется возможностью обработки лишь небольших объемов воды и высокимиэнергозатратами, что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;
- фильтрование, как на напорных, так и на безнапорных фильтрах.
Литература
- Ковалёв П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. – Ростов: Университетское, 1975.
- Ахматов А.С. Молекулярная физика. – М., 1963.
- Покровский А.А., Зворыкин Б.С. и др. Демонстрационные опыты по молекулярной физике и теплоте. – М., 1960.
- Покровский А.А., Зворыкин Б.С. Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. – М., 1956.
- Бакушинский В.Н. Организация лабораторных работ по физике в средней школе. – М., 1946.
- Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. – М.: Высшая школа, 1980.
- Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1982.
- Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. – М.: Высшая школа, 1970.
- Лабораторные занятия по физике / Под ред. Гольдина Л.Л. – М.: Наука, 1983.
- Беклемишев А.В. Методика и организация лабораторных занятий по физике в высшей школе. – М.: Советская наука, 1952.
- Фетисов В.А. Лабораторные работы по физике. – М., 1961.
- Павлов В.И. Механика, молекулярная физика. М., 1955.
- Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. М.: Просвещение, 1970.
- Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. – М.: Просвещение, 1976.
- Стрючков И.А., Краев П.И. Руководство к лабораторным работам по молекулярной физике. – Ашхабад, 1981.
- Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. – М., 1992.
- Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. – Л.: Наука, 1974.
- Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. – М., 1977.
- Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л., 1985.