Поверхностное натяжение nacl. Мастер-класс «Поверхностное натяжение воды»

В § 7.1 были рассмотрены опыты, свидетельствующие о стремлении поверхности жидкости к сокращению. Это сокращение вызывается силой поверхностного натяжения.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

Измерение силы поверхностного натяжения

Чтобы измерить силу поверхностного натяжения, проделаем следующий опыт. Возьмем прямоугольную проволочную рамку, одна сторона которой АВ длиной l может перемещаться с малым трением в вертикальной плоскости. Погрузив рамку в сосуд с мыльным раствором, получим на ней мыльную пленку (рис. 7.11, а). Как только мы вытащим рамку из мыльного раствора, проволочка АВ сразу же придет в движение. Мыльная пленка будет сокращать свою поверхность. Следовательно, на проволочку АВ действует сила, направленная перпендикулярно проволочке в сторону пленки. Это и есть сила поверхностного натяжения.

Чтобы помешать проволочке двигаться, надо к ней приложить некоторую силу. Для создания этой силы можно прикрепить к проволочке мягкую пружину, закрепленную на основании штатива (см. рис. 7.11, о). Сила упругости пружины вместе с силой тяжести, действующей на проволочку, в сумме составят результирующую силу Для равновесия проволочки необходимо, чтобы выполнялось равенство
, где - сила поверхностного натяжения, действующая на проволочку со стороны одной из поверхностей пленки (рис. 7.11, б).

Отсюда
.

От чего зависит сила поверхностного натяжения?

Если проволочку переместить вниз на расстояние h , то внешняя сила F 1 = 2 F совершит работу

(7.4.1)

Согласно закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии (в данном случае поверхностной) пленки. Начальная поверхностная энергия мыльной пленки площадью S 1 равна U п 1 = = 2σS 1 , так как пленка имеет две поверхности одинаковой площади. Конечная поверхностная энергия

где S 2 - площадь пленки после перемещения проволочки на расстояние h . Следовательно,

(7.4.2)

Приравнивая правые части выражений (7.4.1) и (7.4.2), получим:

Отсюда сила поверхностного натяжения, действующая на границу поверхностного слоя длиной l , равна:

(7.4.3)

Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности перпендикулярно границе поверхностного слоя (перпендикулярно проволочке АВ в данном случае, см. рис. 7.11, а).

Измерение коэффициента поверхностного натяжения

Существует много способов измерения поверхностного натяжения жидкостей. Например, поверхностное натяжение а можно определить, пользуясь установкой, изображенной на рисунке 7.11. Мы рассмотрим другой способ, не претендующий на большую точность результата измерений.

Прикрепим к чувствительному динамометру медную проволочку, изогнутую так, как показано на рисунке 7.12, a. Подставим под проволочку сосуд с водой так, чтобы проволочка коснулась поверхности воды (рис. 7.12, б) и «прилипла» к ней. Будем теперь медленно опускать сосуд с водой (или, что то же, поднимать динамометр с проволочкой). Мы увидим, что вместе с проволочкой поднимается обволакивающая ее водяная пленка, а показание динамометра при этом постепенно увеличивается. Оно достигает максимального значения в момент разрыва водяной пленки и «отрыва» проволочки от воды. Если из показаний динамометра в момент отрыва проволочки вычесть ее вес, то получится сила F , равная удвоенной силе поверхностного натяжения (у водяной пленки две поверхности):

где l - длина проволочки.

При длине проволочки 1 = 5 см и температуре 20 °С сила оказывается равной 7,3 · 10 -3 Н. Тогда

Результаты измерений поверхностных натяжений некоторых жидкостей приведены в таблице 4.

Таблица 4

Из таблицы 4 видно, что у легкоиспаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у нелетучих жидкостей, например у ртути. Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и особенно у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико.

Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах межмолекулярного взаимодействия.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости - это величина, которая достаточно точно характеризует способность жидкости к сокращению и которая измеряется силой поверхностного натяжения, оказывающая воздействие на единицу длины линии, расположенной на поверхности жидкости. В том случае, если размер длины границы поверхности жидкости будет обозначен как l, а сила поверхностного натяжения плёнки, которая действует на данной границе, - F, таким образом, значение коэффициента поверхностного натяжения составит:

Наименование коэффициента поверхностного натяжения выражается в Н/м. Чем более высокой будет температура, тем меньшим будет значение σ для чистых жидкостей.

Следствием асимметричности сил молекулярного взаимодействия переходного слоя с молекулами, которые их окружают, является представление о существовании нормальных и тангенциальных сил по отношению к поверхности раздела фаз. Эти силы оказывают значительное воздействие на молекулы переходного слоя. Именно они являются силами молекулярного давления и поверхностного натяжения между фазами.

Зависимость коэффициента σ от наличия разных примесей

Коэффициент поверхностного натяжения напрямую связан с силами молекулярного взаимодействия и может принимать самые разнообразные значения для различных жидкостей. У жидкостей, которые очень хорошо испаряются (спирт, бензин, эфир), показатель поверхностного натяжения не такой большой, как у жидкостей, не являющихся летучими. Вначале надеваем сетку на ареометр, после чего опускаем в его в воду. Благодаря плотной сетке, ареометр будет удерживаться на определённой глубине. Далее следует капнуть немного эфира на сетку, после чего ареометр немедленно поднимется из воды.

Коэффициент связан с тем, сколько примесей находится в воде. На поверхность воды кладётся маленькая щепочка от спички. После этого в воду спускается кусок мыла. Через определённый период времени можно будет наблюдать движение щепочки к краю сосуда от мыла. В результате этого можно сделать вывод: коэффициент поверхностного натяжения может быть уменьшен с помощью мыла. Если добавить вещества, отличающиеся биологической активностью (пасту, мыло, то будет снижено. Тогда, если нужно получить пузыри, зачем же люди добавляют мыло?

Многие из нас полагают, что благодаря мылу показатель σ увеличивается. В действительности, оно как раз уменьшает показатель поверхностного натяжения приблизительно до одной трети до значения σ чистой воды. Следует отметить, что при растяжении мыльной плёнки происходит уменьшение мыла на поверхности, при этом поверхностное натяжение увеличивается. Следовательно, под воздействием мыла усиливаются слабые участки пузыря и не растягиваются дальше. Кроме того, благодаря мылу вода не испаряется, а значит, срок "жизни" пузыря увеличивается.

Теперь давайте поставим такой опыт: поместим сахарный леденец в воду. Это приведёт к тому, что щепочка будет двигаться к леденцу. Вывод однозначен: под воздействием сахара показатель поверхностного натяжения увеличивается.

Как определить коэффициент σ посредством капилляров?

Для осуществления этого простейшего в своем роде опыта нужно иметь несколько сосудов с водой и капилляры.

Капилляр требуется опустить в сосуд с водой, а затем измерить высоту подъёма жидкости. Далее другой капилляр помещается в мыльную воду, после чего измеряется высота подъёма жидкости. Коэффициент σ может быть найден из соответствующей формулы:

На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.

Для начала, обсудим особые свойства, которыми обладают молекулы приповерхностного слоя жидкости по сравнению с молекулами, находящимися в объеме.

Рис. 1. Отличие молекул приповерхностного слоя от молекул, находящихся в объеме жидкости

Рассмотрим две молекулы А и Б. Молекула А находится внутри жидкости, молекула Б - на ее поверхности (Рис. 1). Молекула А окружена другими молекулами жидкости равномерно, поэтому силы, действующие на молекулу А со стороны молекул, попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия, скомпенсированы, или их равнодействующая равна нулю.

Что же происходит с молекулой Б, которая находится у поверхности жидкости? Напомним, что концентрация молекул газа, который находится над жидкостью, значительно меньше, чем концентрация молекул жидкости. Молекула Б с одной стороны окружена молекулами жидкости, а с другой стороны - сильно разреженными молекулами газа. Поскольку со стороны жидкости на нее действует гораздо больше молекул, то равнодействующая всех межмолекулярных сил будет направлена внутрь жидкости.

Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости попала в поверхностный слой, нужно совершить работу против не скомпенсированных межмолекулярных сил.

Вспомним, что работа - это изменение потенциальной энергии, взятое со знаком минус.

Значит, молекулы приповерхностного слоя, по сравнению с молекулами внутри жидкости, обладают избыточной потенциальной энергией.

Эта избыточная энергия является составляющей внутренней энергии жидкости и называется поверхностной энергией . Обозначается она, как , и измеряется, как и любая другая энергия, в джоулях.

Очевидно, что чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше таких молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, а значит тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

где - площадь поверхности, а - коэффициент пропорциональности, который мы назовем коэффициентом поверхностного натяжения , этот коэффициент характеризует ту, или иную жидкость. Запишем строгое определение этой величины.

Поверхностное натяжение жидкости (коэффициент поверхностного натяжения жидкости) - это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и равна отношению поверхностной энергии к площади поверхности жидкости

Измеряется коэффициент поверхностного натяжения в ньютонах, деленных на метр.

Обсудим, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Для начала, вспомним, что коэффициент поверхностного натяжения характеризует удельную энергию взаимодействия молекул, а значит факторы, изменяющие эту энергию, изменят и коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Итак, коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Природы жидкости (у «летучих» жидкостей, таких как эфир, спирт и бензин, поверхностное натяжение меньше, чем у «нелетучих» - воды, ртути и жидких металлов).

2. Температуры (чем выше температура, тем меньше поверхностное натяжение).

3. Наличие поверхностно активных веществ, уменьшающих поверхностное натяжение (ПАВ), например мыла или стирального порошка.

4. Свойства газа, граничащего с жидкостью.

Отметим, что коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади поверхности, так как для одной отдельно взятой приповерхностной молекулы абсолютно неважно, сколько таких же молекул вокруг. Обратите внимание на таблицу, в которой приведены коэффициенты поверхностного натяжения различных веществ, при температуре :

Таблица 1. Коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей на границе с воздухом, при

Итак, молекулы приповерхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами в объеме жидкости. В курсе механики было показано, что любая система стремится к минимуму потенциальной энергии. Например, тело, брошенное с некоторой высоты, будет стремиться упасть вниз. Кроме того, вы чувствуете себя намного комфортнее лёжа, поскольку в этом случае максимально низко расположен центр масс вашего тела. К чему приводит стремление уменьшить свою потенциальную энергию в случае жидкости? Поскольку поверхностная энергия зависит от площади поверхности, значит, любой жидкости энергетически невыгодно иметь большую площадь поверхности. Иными словами, в свободном состоянии жидкость будет стремиться сделать свою поверхность минимальной.

В этом легко убедиться, экспериментируя с мыльной пленкой. Если окунуть в мыльный раствор некий проволочный каркас, то на нем образуется мыльная пленка, при чем пленка приобретет такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (Рис. 2).

Рис. 2. Фигуры из мыльного раствора

Убедиться в существовании сил поверхностного натяжения можно при помощи простого эксперимента. Если к проволочному кольцу в двух местах привязана нить, причем так, чтобы длина нити была несколько больше длины хорды, соединяющей точки крепления нити, и обмакнуть проволочное кольцо в мыльный раствор (Рис. 3а), мыльная пленка затянет всю поверхность кольца и нить будет лежать на мыльной пленке. Если теперь порвать пленку с одной стороны нити, мыльная пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сократится и натянет нить (Рис. 3б).

Рис. 3. Эксперимент по обнаружению сил поверхностного натяжения

Почему же так произошло? Дело в том, что оставшийся сверху мыльный раствор, то есть жидкость, стремится сократить площадь своей поверхности. Таким образом, нить вытягивается вверх.

Итак, в существовании силы поверхностного натяжения мы убедились. Теперь научимся ее рассчитывать. Для этого проведем мысленный эксперимент. Опустим в мыльный раствор проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна (Рис. 4). Будем растягивать мыльную пленку, действуя на подвижную сторону рамки силой . Таким образом, на перекладину действуют три силы - внешняя сила и две силы поверхностного натяжения , действующие вдоль каждой поверхности пленки. Воспользовавшись вторым законом Ньютона, можем записать, что

Рис. 4. Вычисление силы поверхностного натяжения

Если под действием внешней силы перекладина переместится на расстояние , то эта внешняя сила совершит работу

Естественно, что за счет совершения этой работы площадь поверхности пленки увеличится, а значит, увеличится и поверхностная энергия, которую мы можем определить через коэффициент поверхностного натяжения:

Изменение площади, в свою очередь можно определить следующим образом:

где - длина подвижной части проволочной рамки. Учитывая это, можно записать, что работа внешней силы равна

Приравнивая правые части в (*) и (**), получим выражение для силы поверхностного натяжения:

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, которая действует на единицу длины линии, ограничивающей поверхность

Итак, мы еще раз убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. Можно показать, что при заданном объеме площадь поверхности будет минимальной у шара. Таким образом, если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать сферическую форму. Так, например, будет вести себя вода в невесомости (Рис. 5) или мыльные пузыри (Рис. 6).

Рис. 5. Вода в невесомости

Рис. 6. Мыльные пузыри

Наличием сил поверхностного натяжения также можно объяснить то, почему металлическая иголка «лежит» на поверхности воды (Рис. 7). Иголка, которую аккуратно положили на поверхность, деформирует ее, увеличивая тем самым площадь этой поверхности. Таким образом, возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, и она скомпенсирует силу тяжести.

Рис. 7. Иголка на поверхности воды

Таким же образом можно объяснить принцип действия пипетки. Капелька, на которую действует сила тяжести, вытягивается вниз, тем самым увеличивая площадь своей поверхности. Естественно, возникают силы поверхностного натяжения, равнодействующая которых противоположна направлению силы тяжести, и которые не дают капельке растягиваться (Рис. 8). Когда вы нажимаете на резиновый колпачок пипетки, вы тем самым создаете дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, и в результате, капля падает вниз.

Рис. 8. Принцип работы пипетки

Приведем еще один пример из повседневной жизни. Если опустить кисточку для рисования в стакан с водой, то ее волоски распушатся. Если теперь вынуть эту кисточку из воды, то вы заметите, что все волоски прилипли друг к другу. Это связано с тем, что площадь поверхности воды, налипшей на кисточку, в таком случае будет минимальной.

И еще один пример. Если вы захотите построить замок из сухого песка, это у вас вряд ли получится, поскольку песок будет рассыпаться под действием силы тяжести. Однако если вы намочите песок, то он будет сохранять свою форму благодаря силам поверхностного натяжения воды между песчинками.

Наконец, отметим, что теория поверхностного натяжения помогает найти красивые и простые аналогии при решении более сложных физических задач. Например, когда нужно построить лёгкую и в то же время прочную конструкцию, на помощь приходит физика того, что происходит в мыльных пузырях. А построить первую адекватную модель атомного ядра удалось, уподобив это атомное ядро капле заряженной жидкости.

Список литературы

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. «Физика 10». - М.: Просвещение, 2008.
Я. Е. Гегузин «Пузыри», Библиотека Квант. - М.: Наука, 1985.
Б. М. Яворский, А. А. Пинский «Основы физики» т. 1.
Г. С. Ландсберг «Элементарный учебник физики» т. 1.

Nkj.ru ().
Youtube.com ().
Youtube.com ().
Youtube.com ().

Домашнее задание

Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 7,8,9 ГИА и вопросам А8, А9, A10 ЕГЭ.
Гельфгат И.М., Ненашев И.Ю. «Физика. Сборник задач 10 класс» 5.34, 5.43, 5.44, 5.47 ()
Опираясь на задачу 5.47, определите коэффициент поверхностного натяжения воды и мыльного раствора.

Список вопросов-ответов

Вопрос: Почему поверхностное натяжение меняется с изменением температуры?

Ответ: При увеличении температуры, молекулы жидкости начинают двигаться быстрее, и следовательно, молекулы легче преодолевают потенциальные силы притяжения. Что и приводит к уменьшению сил поверхностного натяжения, являющихся потенциальными силами, которыми связываются молекулы приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Зависит ли коэффициент поверхностного натяжения от плотности жидкости?

Ответ: Да, зависит, поскольку от плотности жидкости зависит энергия молекул приповерхностного слоя жидкости.

Вопрос: Какие существуют способы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости?

Ответ: В школьном курсе изучаютдва способа определениякоэффициента поверхностного натяжения жидкости. Первый - это метод отрыва проволочки, его принцип описан в задаче 5.44 из домашнего задания, второй - метод счета капель, описанный в задаче 5.47.

Вопрос: Почему через некоторое время мыльные пузыри разрушаются?

Ответ: Дело в том, что через некоторое время, под действием силы тяжести пузырь становится толще внизу, чем вверху, и затем под влиянием испарения разрушается в какой-либо точке. Это приводит к тому, что весь пузырь, подобно воздушному шарику, схлопывается под действием не скомпенсированных сил поверхностного натяжения.

Определение 1

Поверхностное натяжение – порыв жидкости уменьшить собственную свободную поверхность, то есть сократить избыток потенциальной энергии на границе разъединения с газообразной фазой.

Упругими характеристиками оснащены не только твердые физические тела, но и поверхность самой жидкости. Каждый в своей жизни видел, как растягивается мыльная пленка при небольшом выдувании пузырей. Силы поверхностного натяжения, которые возникают в мыльной пленке, удерживают на определенный период времени воздух, аналогичному тому, как резиновая растянувшаяся камера сохраняет воздух в футбольном мяче.

Поверхностное натяжение появляется на границе раздела основных фаз, например, газообразной и жидкой, или жидкой и твердой. Это непосредственно обусловлено тем, что элементарные частицы поверхностного слоя жидкости всегда испытывают различную силу притяжения изнутри и снаружи.

Указанный физический процесс возможно рассматривать на примере капли воды, где жидкость движется себя так, как будто она находится в эластичной оболочке. Здесь атомы поверхностного слоя жидкого вещества притягиваются к собственным внутренним соседям сильнее, чем к внешним частицам воздуха.

В целом поверхностное натяжение можно объяснить, как бесконечно малую или элементарную работу $\sigma A$, которую необходимо совершить для увеличения общей площади поверхности жидкости на бесконечно малую величину $dS$ при неизменной температуре $dt$.

Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях

Рисунок 2. Скалярная положительная величина. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Жидкость, в отличие от твердых тел и газов, не способна заполнить весь объем сосуда, в который она была помещена. Между паром и жидким веществом формируется определенная граница раздела, которая действует в особых условиях по сравнению с другой массой жидкости. Рассмотрим для более наглядного примера две молекулы $A$ и $B$. Частица $A$ находится внутри самой жидкости, молекула $B$ – непосредственно на ее поверхности. Первый элемент окружен другими атомами жидкости равномерно, поэтому действующие на молекулу силы со стороны попадающих в сферу межмолекулярного взаимодействия частиц всегда скомпенсированы, или, иными словами, их равнодействующая мощность равна нулю.

Молекула $B$ с одной стороны обрамлена молекулами жидкости, а с другой стороны –атомами газа, итоговая концентрация которых в значительной степени ниже, чем объединение элементарных частиц жидкости. Так как со стороны жидкости на молекулу $B$ воздействует гораздо больше молекул, чем со стороны идеального газа, равнодействующую всех межмолекулярных сил уже невозможно приравнять нулю, так как этот параметр направлен внутрь объема вещества. Таким образом, для того чтобы молекула из глубины жидкости оказалась в поверхностном слое, следует выполнить работу против нескомпенсированных сил. А это означает, что атомы приповерхностного уровня, по сравнению с частицами внутри жидкости, оснащены избыточной потенциальной энергией, которая носит название поверхностной энергии.

Коэффициент поверхностного натяжения

Рисунок 3. Поверхностное напряжение. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Определение 2

Коэффициент поверхностного натяжения – это физический показатель, характеризующий определенную жидкость и численно равный соотношению поверхностной энергии к общей площади свободной среды жидкости.

В физике основной единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в концепции СИ является {N}/{m}.

Указанная величина напрямую зависит от:

природы жидкости (у «летучих элементах таких, как спирт, эфир, бензин, коэффициент поверхностного натяжения значительно меньше, чем у «нелетучих – ртути, воды);
температуры жидкого вещества (чем выше температура, тем меньше итоговое поверхностное натяжение);
свойств идеального газа, граничащий с данной жидкостью;
наличия стабильных поверхностно-активных элементов таких, как стиральный порошок или мыло, которые способны уменьшить поверхностное натяжение.

Замечание 1

Также следует отметить, что параметр поверхностного натяжения не зависит от начальной площади свободной среды жидкости.

Из механики также известно, что неизменным состояниям системы всегда соответствует минимальное значение ее внутренней энергии. Вследствие такого физического процесса жидкое тело часто принимает форму с минимальной поверхностью. Если на жидкость не влияют посторонние силы или их действие крайне мало, ее элементы к форме сферы в виде капли воды или мыльного пузыря. Аналогичным образом начинают вести себя вода находясь в невесомости. Жидкость движется так, как будто по касательной к ее основной поверхности действуют факторы, сокращающие данную среду. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Следовательно, коэффициент поверхностного натяжения возможно также определить, как основной модуль силы поверхностного натяжения, который в общем действует на единицу длины начального контура, ограничивающего свободную среду жидкости. Наличие указанных параметров делает поверхность жидкого вещества похожей на растянутую упругую пленку, с единственной разницей, что неизменные силы в пленке непосредственно зависят от площади ее системы, а сами силы поверхностного натяжения способны самостоятельно работать. Если положить небольшую швейную иглу на поверхность воды, гладь прогнется и не даст ей утонуть.

Действием внешнего фактора можно описать скольжение легких насекомых таких, как водомерки, по всей поверхности водоемов. Лапка этих членистоногих деформирует водную поверхность, тем самым увеличивая ее площадь. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, стремящаяся уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сила будет всегда направлена исключительно вверх, компенсируя при этом действие тяжести.

Результат действия поверхностного натяжения

Под воздействием поверхностного натяжения небольшие количества жидких сред стремятся принять шарообразную форму, которая будет идеально соответствовать наименьшей величине окружающей среды. Приближение к шаровой конфигурации достигается тем больше, чем слабее начальные силы тяжести, так как у малых капель показатель силы поверхностного натяжения гораздо превосходит влияние тяжести.

Поверхностное натяжение считается одной из важнейших характеристик поверхностей раздела фаз. Оно непосредственно воздействует на формирование мелкодисперсных частиц физических тел и жидкостей при их разделении, а также на слияние элементов или пузырьков в туманах, эмульсиях, пенах, на процессы адгезии.

Замечание 2

Поверхностное натяжение устанавливает форму будущих биологических клеток и их основных частей.

Изменение сил данного физического процесса влияет на фагоцитоз и на процессы альвеолярного дыхания. Благодаря этому явлению пористые вещества могут в течение длительного времени удерживать огромное количество жидкости даже из паров воздуха, Капиллярные явления, предполагающие изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в более широком сосуде, весьма распространены. Посредством данных процессов обусловлено поднятие воды в почве, по корневой системе растений, движение биологических жидкостей по системе мелких канальцев и сосудов.

Мастер-класс «Поверхностное натяжение воды».

учитель физики МКОУ «СОШ №8 имени А.В.Грязнова» ИМРСК

Цель : показать развитие творческой активности учащихся в ходе исследование явления поверхностного натяжения. Образовательная : изучение явления поверхностного натяжения. Развивающая : развивать умение наблюдать, экспериментировать, добывать знания, понимать, оценивать и соотносить свою точку зрения с мнением других, уметь делать выводы. Воспитывающая : воспитывать чувство прекрасного, бережного отношения к природе, умение вести диалог, слушать других и аргументировано отстаивать точку зрения. Методы, приемы, способы : -обмен мнениями, групповое обсуждение, дискуссия;
-эксперимент. Оборудование: компьютер и презентация,…….. I . Введение в мастер-класс, обозначение основных целей и задач: (Слайд 1) Здравствуйте, уважаемые коллеги. Главная задача каждого учителя сегодня - помочь в получении прочных знаний, в развитии способностей учащихся, приобщение их к творческой деятельности, помочь ученику раскрыться, лучше использовать свой творческий потенциал. И, самое главное, применить полученные знания в будущем, уметь ориентироваться в современном мире. Поэтому я взяла в качестве эпиграфа к уроку слова великого И.В. Гёте: «Просто знать - ещё не всё, Знания нужно умело использовать ». В будущем ученику предстоит решать многие проблемы, часто связанные с технической стороной, поэтому в школе под руководством учителя необходимо развивать активную самостоятельную деятельность, в результате чего происходит творческое овладение профессиональными знаниями, навыками, умениями и развитие мыслительных способностей. Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обыденными с одной стороны, но вместе тем удивительными с другой стороны явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеем дело и даже не задумывался о том, как их объяснить!.(Слайд 2)

Даже маленькие дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но, так же не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду. Почему водомерки так легко перемещаются по поверхности воды? Почему осы, стрекозы и некоторые насекомые могут легко приземляться и взлетать с поверхности воды? Попробуем дать объяснение этим явлениям.

Но сначала давайте проведём несколько опытов.

Опыт № 1 «Плавающие скрепки»

Оборудование стакан с чистой водой, несколько скрепок, одна из которых немного разогнута

Задание . Возьмите одну скрепку и аккуратно опустите её на поверхность воды так, чтобы она осталась на поверхности. (Главное, выполнять очень осторожно, не толкая стакан с водой. Если это не удалось, то положите сухую скрепку на разогнутую и вновь опустите на поверхность воды, при этом последнюю аккуратно опуская вниз.)

Опыт № 2« Капля масла»

Оборудование: пипетка с растительным маслом, зубочистка, моющее средство.

С помощью пипетки поместите каплю масла на поверхность воды. Что вы замечаете? А теперь коснитесь кончиком зубочистки, смоченным в растворе моющего средства, поверхности воды рядом с маслом, в центре. Что вы наблюдаете?

(Предполагаемый ответ: масло сначала собралось в шарик, а затее пятно начало двигаться и расплываться)

Опыт № 3«Мыльная плёнка»

Оборудование: раствор для выдувания мыльного пузыря, проволочное кольцо с ручкой, зубочистка, смоченная мыльным раствором.

Опустите кольцо в мыльный раствор и в отраженном свете пронаблюдайте мыльную пленку. Проткните кольцо зубочисткой. Что вы заметили? (Предполагаемый ответ: в кольце наблюдается тонкая пленка, при протыкании зубочисткой она сохраняется)

Давайте подведем итог по проведенным опытам.

Вода обладает свойством поддерживать на поверхности легкие предметы и при добавлении мыльного раствора масло и пленка растягиваются. (Слайд 3)

Учитель:

Опыты показали, что у воды есть удивительное свойство- создавать «плёнку» Дадим научное объяснение этому. Наличие у жидкости свободной поверхности обусловливает существование особых явлений, называемых поверхностными. Они возникают в связи с тем, что молекулы внутри жидкости и молекулы на её поверхности находятся в неодинаковых условиях.(ПОКАЗАТЬ НА СЛАЙД ) На поверхности воды количество молекул меньше, чем внутри. Поэтому « внутренние» молекулы тянут вниз, растягивая поверхность жидкости. В объёме жидкости молекулы притягиваются отовсюду, силы притяжения уравновешены. А на поверхности - натяжение идёт только «снизу». Силы не уравновешены, поверхность тянет сама себя. И в отсутствие внешних сил жидкость должна иметь при заданном объёме наименьшую площадь поверхности и принимает форму шара. Именно с этим и связана сферическая форма мелких капель и пузырьков.

Освоение.

Первое представление о поверхностном натяжении мы уже имеем, поэтому давайте с вами начнём заполнять таблицу(ГРАФ-СХЕМУ)

Поверхностное натяжение

Использование поверхностного натяжения в быту,медицине…

ΙΙΙ.Исследование. А сейчас пришло время выполнить исследования, проводим следующие опыты.

Опыт № 4

«Что больше: поверхностное натяжение холодной воды или поверхностное натяжение горячей воды?»

Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате изменения её температуры.

Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение воды зависит от температуры.

Материалы: зубочистки, железный гвоздь, спиртовка, стакан с чистой водой (железный гвоздь, спиртовку можно заменить спичками).

Процесс:

Нагрейте железный гвоздь на спиртовке и поднесите его близко к поверхности воды между двумя зубочистками (или налейте на водную поверхность между зубочистками горячую воду).

(Зажжем спичку и поднесем между зубочистками)

Итоги:

Опыт №5

«Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение мыльного раствора?»

Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней мыла.

Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения мыльного раствора.

Материалы: три зубочистки, жидкость для мытья посуды, миска с чистой водой.

Процесс:

Положите на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.

Смочите кончик третьей зубочистки в жидкости для мытья посуды (внимание: этой жидкости нужно совсем немного)

Окуните кончик третьей зубочистки в воду между двумя другими.

Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга. Объясните наблюдаемое явление.

Опыт № 6

«Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение раствора сахара?»

Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней сахара.

Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения раствора сахара.

Материалы: зубочистки, сахарный леденец, миска с чистой водой.

Процесс:

Положите на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.

Смочите сахарный леденец в чистой воде и окуните его в воду между двумя зубочистками.

Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга. Объясните наблюдаемое явление.

Вывод.

Участники обсуждают свои результаты экспериментов и делают общий вывод о том, что:

1. Наличие у жидкости свободной поверхности обусловливает существование особых явлений, называемых поверхностными. Они возникают в связи с тем, что молекулы внутри жидкости и молекулы на её поверхности находятся в неодинаковых условиях.

2. Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости, ее температуры, наличия примесей. С ростом температуры оно уменьшается и исчезает вовсе при критической температуре, что приводит к исчезновению границы раздела между жидкостью и ее насыщенным паром.

Учитель: Проведя опыты мы заметили, что во всех случаях поверхностное натяжение уменьшается. А как вы думаете: можно ли его увеличить? Рассмотрим таблицу и сделаем вывод.

.
Вывод. Вода обладает большим поверхностным натяжением и только ртуть имеет наибольшее.

Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их все нет возможности. Приведу один пример.

Гибралтарский пролив, соединяющий Средиземное море и Атлантический океан. Воды будто разделены пленкой и имеют между собой четкую границу. Каждая из них имеет свою температуру, свой солевой состав, животный и растительный мир.

В 1967 году, немецкие учёные выявили факт несмешивания воды Красного моря и Индийского океана. Следуя примеру своих коллег, Жак Кусто стал выяснять, смешиваются ли воды Атлантического океана и Средиземного моря. Сначала он и его команда исследовали воду Средиземного моря - ее естественный уровень солености, плотности и присущие ей формы жизни. То же самое сделали в Атлантическом океане. Эти две массы воды встречаются в Гибралтарском проливе уже тысячи лет и логично было бы предположить, что эти две огромные водяные массы давно должны были бы перемешаться - их соленость и плотность должны были стать одинаковыми, или, по крайней мере, схожими. Но даже в местах, где они сходятся ближе всего, каждая из них сохраняет свои свойства. Другими словами, в местах слияния двух масс воды водный занавес не дал им смешаться! Воды Атлантического океана и Средиземного моря не в состоянии перемешаться. Величина поверхностного натяжения обуславливается различной степенью плотности морской воды, этот фактор, словно стена, которая препятствует смешиванию вод. Дело здесь в поверхностном натяжении: поверхностное натяжение - это один из самых важных параметров воды. Оно определяет силу сцепления между молекулами жидкости, а также форму ее поверхности на границе с воздухом

ΙV Закрепление.

Учитель: А сейчас проведём наглядные опыты , связанные с поверхностным натяжением.

Опыт № 7 «Заколдованная непроливайка».

У вас есть мелкие монеты (штук 30-40). Налейте полный стакан воды и узнайте: сколько из этих монет можно опустить в стакан с водой, пока она не выльется? А теперь опускайте осторожно по одной монетке в стакан. Ну и что? Сколько поместилось? А как при этом менялась форма поверхностного слоя воды? Объясните почему?

(Ответ: Поверхностное натяжение собирает воду. Если приглядеться, то видно, что мениск продолжает линию стенок стакана, возвышаясь дугой посередине.)

Учитель : Сегодня мы многое узнали о поверхностном натяжении, так как тема нашего семинара связана с осмысленным чтением, то познакомимся с некоторой полезной информацией. В ходе чтения хочу вам предложить использоватьтехнологию « Инсерт», делая на полях пометки, что бы потом продолжить заполнение граф - таблицы.

Чтение текста с пометками:

+ я это знал

- я этого не знал

? хотел бы узнать поподробнее

! это меня удивило

Поверхностное натяжение

Почему мыльный пузырь имеет форму шара?

От чего зависит поверхностное натяжение?

V . Моделирование.

Сегодня я попыталась показать вам, что с помощью исследований и простых, наглядных приёмов можно на уроках физики не только сформировать систему физических знаний, умений и навыков, но и повысить творческую активность, вызвать интерес к постановке опытов. Необходимо давать ему возможность экспериментировать и не бояться ошибок, воспитывать у учащихся делать выводы и отстаивать свою точку зрения.

V . Рефлексия . Закончить урок мне хотелось ещё одним опытом по поверхностному натяжению.

Опыт № 8 Взрыв цвета в тарелке

Для опыта понадобится: тарелка, цельное молоко, жидкое мыло, ватные палочки и пищевые красители разных цветов. План работы:

1. Наливаем молоко в тарелку.

2. Капаем по несколько капель краски в молоко.

3. Обмакиваем две ватные палочки в жидкое мыло и погружаем их в тарелку с молоком.

Итог: при добавлении краски в молоко, на поверхности образуются красивые разливы от краски. При добавлении жидкого мыла, краска сбивается в полоски и образуют неожиданные рисунки на поверхности молока.

В заключение хочу сказать словами Николая Островского:

« Творческая работа – это

прекрасный, необычайно тяжёлый

и изумительно радостный труд».

Литература:

Русских, Г. А. Мастер-класс – технология подготовки учителя к творческой профессиональной деятельности [Текст] / Г. А. Русских // Методист. – 2002

Селевко, Г.К. Альтернативные педагогические технологии [Текст] / Г. К. Селевко - М. : НИИ школьных технологий, 2005. - 224 с.

Советова, Е. В. Эффективные образовательные технологии [Текст] / Е. В. Советова. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 285 с.

Хуртова, Т.В. Формы профессионального обучения педагогов: мастер- классы [Текст] / Т. В. Хуртова - Волгоград: Учитель, 2008 .– 76 с.