Урок «Свойства поверхности жидкости. Поверхностное натяжение»
Составляем конспект в тетради и отвечаем письменно в тетради на вопросы. Срок сдачи работ понедельник, 23 марта.
Цель: Познакомить учащихся с понятием «поверхностное натяжение» и «поверхностная энергия» и их применением.
Оборудование: емкость с водой и пустой стакан; монеты; лезвие бритвы, смазанное жиром; проволоки, трубки и раствор для пускания мыльных пузырей.
Ход урока.
I. Введение учащихся в проблему урока
Эпиграф: Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики. Уильям Томсон
Почему росинки принимают шарообразную форму? Вопрос этот занимал еще Галилея. Отчего столь пристальное внимание всегда привлекли тонкие пленки и мыльные пузыри, узенькие трубочки-капилляры и самая обычная пена?
Для ответа на эти вопросы нам придется познакомиться с явлением поверхностного натяжения. 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 лучшие решения помогают... мыльные пленки, а построить первую теорию деления атомных ядер удалось, уподобив ядро... капле заряженной жидкости.
Экспериментальное задание:
Налейте в стакан, стоящий на парте, воду до самого края. Стакан полон?
Проверим это. Осторожно погрузите монеты одну за другой в стакан. Как же они туда поместились? Посмотрите на стакан так, чтобы глаза были на уровне края стакана. Видите? Поверхность воды стала выпуклой, поднялась горбом. Вода ведет себя так, будто у нее есть упругая оболочка. Если я продолжу опускать монеты, на какой-то монете эта оболочка разрывается, струйка воды сбегает по стенке стакана и водяной горб сразу опадает.
Перелейте воду назад в банку. Осторожно опустите на поверхность воды лезвие бритвы, смазанное жиром. Оно останется на поверхности. Но ведь сталь должна тонуть в воде!? Значит, лезвие не плавает, оно лежит на воде, как на упругой пленке. Посмотрите на поверхность воды: она прогнулась под тяжестью бритвы. Достаточно толчка - и пленка прорвется, а лезвие утонет.
Вы, наверное, видели жуков – водомерок на поверхности воды. Они тоже скользят по поверхностной пленке.
II. Объяснение нового материала
Свойства поверхности жидкости отличаются от свойств ее остальной части. Молекулы внутри жидкости взаимодействуют с соседними молекулами, окружающими ее со всех сторон. В результате эти молекулы находятся в равновесном состоянии на расстоянии r друг от друга. Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, его взаимодействием с молекулами жидкости можно пренебречь. Молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, взаимодействуют практически только с теми молекулами, которые находятся внутри жидкости. Казалось бы, что молекулы, находящиеся на поверхности, должны втянуться внутрь жидкости. Ни все молекулы не могут уйти внутрь. На поверхности остается такие число молекул, при котором ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости. Так, капли жидкости принимают форму, близкую к шаровой, при которой поверхность минимальна.
При увеличении поверхности жидкости за счет внешнего воздействия часть молекул из внутренних областей жидкости переходит на ее поверхность. При таком переходе совершается работа против сил притяжения, действующих на молекулы, переходящие в поверхностный слой.
Из механики известно, что при совершении работы против сил притяжения возрастает потенциальная энергия перемещаемого тела. Поэтому молекулы на поверхности жидкости обладают большей энергией, чем те же молекулы внутри жидкости.
Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает избыточной потенциальной энергией. Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.
Отношение поверхностной энергии к площади поверхности называется коэффициентом поверхностного натяжения илиудельной поверхностной энергией.
Эту величину обозначают греческой буквой σ (сигма): σ = Епов /S. (1)
В СИ единицей удельной поверхностной энергии является 1 Дж/м2.
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.
При изучении механики было выяснено важное положение о том, что между потенциальной энергией системы и ее равновесием существует определенная связь: в состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия минимальна.
Это положение имеет и более широкий смысл, оно относится и к поверхностной энергии, которой обладают жидкие и твердые тела: для них также характерно, что устойчивое равновесие наступает при минимуме поверхностной энергии. Значит, сокращение поверхности жидкости, при котором уменьшается поверхностная энергия,— это самопроизвольный процесс, ведущий к состоянию устойчивого равновесия.
Поверхностная энергия уменьшается также, если поверхность жидкости покрывается веществом, поверхностная энергия которого меньше, чем у данной жидкости. Если такое вещество растворить в воде (например, мыло), то его молекулы концентрируются на поверхности воды, покрывая ее плотным слоем. При этом поверхностная энергия системы уменьшается. Так, при малой концентрации мыла в воде (до 5%) на поверхности воды адсорбируется до 95% молекул мыла.
Как измерить коэффициент поверхностного натяжения жидкости? Очевидно, это можно сделать, определив работу, необходимую для образования поверхности.
Для вычисления этой работы воспользуемся свойством некоторых жидкостей, например, мыльной воды, создавать тонкие пленки.
Рассмотрим мыльную пленку, образованную на прямоугольнике с одной подвижной перекладиной длиной d (рис. а). Если на эту перекладину не действует сила, поверхность жидкости будет сокращаться и подвижная перекладина притянется к неподвижной (рис. 6). Площадь поверхности сократится до минимума. Значит, со стороны жидкой пленки вдоль ее поверхности действует сила Fпов, касательная к поверхности и перпендикулярная участку периметра, ограничивающего поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.
Пленку можно растянуть и удерживать в равновесии (рис), если к перекладине приложить внешнюю силу F, равную по модулю силе поверхностного натяжения.
Если под действием силы F подвижная перекладина сместится. на ∆ х, то произведенная работа А будет положительна: A = F∆x. За счет этой работы поверхность пленки увеличится на ∆S. Сила поверхностного натяжения Fпов совершает при этом отрицательную работу:
А' = - Fпов ∆x (2)
Так как пленка — это тонкий слой жидкости, ограниченный двумя поверхностями, то
∆S = ∆xℓ, где ℓ = 2d
Поверхностная энергия при этом увеличится на ∆Епов = σ ∆S = σ ∆xℓ, (3)
где ∆Епов — изменение поверхностной энергии. Так как А'= —∆Епов, то, подставив в это выражение вместо А' и ∆Епов их значения из (2) и (3), получим:
- Fпов ∆x = - σ ∆xℓ
Отсюда
σ = Fпов /ℓ (4)
Т.о., поверхностное натяжение - отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность жидкости.
Из формулы (4) следует, что коэффициент поверхностного натяжения имеет не только энергетический, но и силовой смысл.
Поверхностное натяжение может быть выражено в ньютонах на метр, что нисколько не противоречит выражению этой величины в джоулях на квадратный метр.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и от температуры (с ростом температуры он заметно уменьшается)