Л. П. Іванова,
. МОУ Большеківарская ЗОШ, керівник Воткинского РМО вчителів фізики, Стрийський р-н, Удмуртська республіка
Освітня мета уроку: знання учнями прояву і походження сил поверхневого натягу.
I. Організаційний етап
II. Вивчення нового матеріалу
Учитель. У навколишньому світі повсякденних явищ діє сила, на яку ми зазвичай не звертаємо ніякої уваги. Сила це порівняно невелика, її дії ніколи не викликають потужних ефектів. Проте ми не можемо налити воду в стакан, взагалі нічого не можемо зробити з будь-якої рідиною без того, щоб не пустити в хід сили, про які піде сьогодні мова. Це сили поверхневого натягу.
До ефектів, що викликаються поверхневий натяг, ми настільки звикли, що не помічаємо їх. Однак в природі і в нашому житті вони відіграють чималу роль. Без них ми не могли б писати чорнильними автоматичними ручками, картриджі для принтерів відразу ж ставили б велику пляму, спорожнивши весь свій резервуар. Не можна було б намилити руки - піна не утворювалася б. Слабкий дощик промочив би нас наскрізь, а веселку можна було б бачити ні за якої погоди. Порушився б водний режим грунту, що виявилося б згубним для рослин. Постраждали б важливі функції нашого організму. Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу, спостерігаючи освіту краплі.
Вдивіться уважно, як поступово зростає крапля, утворюється звуження - шийка, - і крапля відривається. Не треба багато фантазії, щоб уявити собі, що вода як би укладена в еластичний мішечок, і цей мішечок розривається, коли вага перевищить його міцність. Насправді, звичайно, нічого, крім води, в краплі немає, але сам поверхневий шар води поводиться, як розтягнута еластична плівка.
Таке ж враження справляє плівка мильної бульбашки. Вона походить на тонку розтягнуту гумову оболонку дитячого кульки. Якщо вийняти соломинку з рота, то міхур виштовхне повітря і стиснеться.
Обережно покладемо голку на поверхню води. Поверхнева плівка прогнеться і не дасть голці потонути. З цієї ж причини легкі водомерки можуть швидко ковзати по поверхні води, як ковзанярі по льоду.
Прогин плівки не дозволить вилитися воді, обережно налитої в досить часте решето. Тканина - це те ж решето, утворене переплетенням ниток. Поверхневий натяг сильно ускладнює просочування води крізь неї, тому вона не промокає наскрізь миттєво.
Розглянемо, як виникає сила поверхневого натягу. Молекули рідини, притягує один до одного силами міжмолекулярної тяжіння, прагнуть зблизитися. Кожна молекула на поверхні притягається іншими молекулами, що знаходяться всередині рідини, і тому має тенденцію до занурення всередину. Так як рідина текуча, вона приймає таку форму, при якій число молекул на поверхні мінімально. Площа поверхні зменшується, і ефект сприймається, як дія сил поверхневого натягу.
Силу, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити її до мінімуму, називають силою поверхневого натягу.
Численні спостереження і досліди показують, що рідина приймає таку форму, при якій її вільна поверхня має найменшу площу. У своєму прагненні скоротитися поверхнева плівка надавала б рідини сферичну форму, якби не тяжіння до Землі. Чим менше крапля, тим більшу роль відіграють сили поверхневого натягу. Тому маленькі крапельки роси близькі за формою до кулі, при вільному падінні дощові краплі майже строго кулясті
Демонстрація: досвід Плато.
Щільності масла і розчину спирту однакові, тому масло плаває в спирті. Під дією сили поверхневого натягу масло утворює найменшу поверхню - поверхню кулі. Якщо змінити форму кулі, він через кілька секунд знову прийме колишню форму.
1. «Фонтан». Ми спостерігали рух струменя води, пущеної під кутом до горизонту. Струмінь, рухаючись в повітрі під дією сили тяжіння, приймає форму параболи. Майже до вищої точки підйому вода рухається суцільний струменем, потім починає дробитися на окремі краплі. Розглянемо дві краплі води, одна з яких тільки що досягла найвищої точки траєкторії, а інша вже опустилася на деяку відстань, рухаючись прискорено під дією земного тяжіння. Швидкість нижньої краплі більше, ніж верхній. Це означає, що відстань між краплями з часом буде зростати. Струмінь води буде ставати все тонше, поки сили поверхневого натягу не створять в ній перемичку і потім НЕ розірвуть її на окремі краплі. Тобто в розриві падаючої в полі сили тяжіння струменя води винні сили поверхневого натягу.
2. «Мильна бульбашка». Видування мильних бульбашок - дуже древня забава. Так, при розкопках в Помпеях античних терм під попелом археологи виявили незвичайні фрески. На них зображені юні жителі Помпей за цим заняттям.
Що ж собою являє мильна бульбашка? Стінки мильної бульбашки складаються з трьох шарів. Два зовнішніх - тісно притиснуті один до одного молекули мила. Між ними шар води, в якому вони плавають. Кожна молекула має два кінці. Один «любить» воду, інакше вона байдужа. Виходячи на поверхню, молекула віддає частину своєї енергії і переходить в більш стійкий стан. А тому ще плаваючі прагнуть при найменшій можливості потрапити на поверхню, звільнитися від «зайвої» енергії. Тому мильна плівка і не рветься, а малі тріщинки в ній миттєво закриваються виходять з води молекулами.
Підраховано, що з краплі води діаметром 1 мм можна видути міхур діаметром 20 см, а сантиметрової краплі вистачило б на шестиметровий шар! Еластична мильна плівка, прагнучи зменшити свою поверхню до мінімально можливого розміру, здавлює повітря всередині міхура. При заданому обсязі газу найменша площа поверхні у сфери. Коли міхур вільно ширяє, його форма близька до ідеальної сфері. Теоретичні розрахунки показали: чим менше радіус міхура, тим більше надлишковий тиск усередині нього. Ми не будемо повторювати математичних викладок, а проведемо підтверджує теорію експеримент.
Наливаємо в тарілку до країв воду і пускаємо на її поверхню мильні бульбашки. Потрапляючи на воду, міхур з сферичного перетворюється в дві півсфери, причому нижня наближається до площини.
Уважно стежимо за поведінкою пухирів на поверхні води - створюється враження, що ми спостерігаємо за живими істотами. Вони рухаються назустріч один одному, спочатку повільно, потім прискорюючи. Зіткнувшись, бульбашки стикаються, як би вдавлюючись один в інший, з утворенням перегородки. У разі бульбашок, рівних за розміром, перегородка - площину. У разі бульбашок, різних за обсягом, - сегмент сфери, опуклістю в більший міхур. Це ще раз переконує нас: тиск в міхурі маленького обсягу більше, ніж в міхурі великого обсягу.
Висновок. Тиск мильної плівки, як і тиск повітря всередині міхура, тим більше, чим менше радіус сфери, утвореної мильною бульбашкою.
III. експериментальна робота
• Лабораторна робота «Спостереження мильних плівок».
Мета роботи: переконатися в існуванні поверхневого натягу рідини.
Прилади й матеріали: рамка з двох дротиків, пов'язаних нитками, блюдце з мильним розчином.
Опустіть в блюдце з мильним розчином рамку, поспостерігайте, яку форму прийме рамка, поясніть спостерігаються явища.
• Лабораторна робота «Зміна поверхневого натягу».
Прилади й матеріали: два блюдця; посудину з дистильованою водою; мильний розчин, розчин цукру у воді; дві чисті піпетки; пробірка з крихтами пробки (пінопласту).
1. Налийте в одне блюдце дистильовану воду. На її поверхню насипте крихти натертої пробки так, щоб вони рівним шаром по-крили поверхню. За допомогою чистої піпетки введіть на середину поверх-ності води невелику краплю мильного розчину. Замалюйте то, що ви спостерігаєте. Використовуючи табличні дані, поясніть причину швидкого переміщення частинок пробки.
2. Налийте в друге блюдце дистильовану воду. На її поверхню насипте крихти натертої пробки так, щоб вони рівним шаром покрили поверхню. За допомогою чистої піпетки введіть на середину поверхні води невелику краплю розчину цукру. Замалюйте то, що ви спостерігаєте. Використовуючи табличні дані, поясніть причину швидкого переміщення частинок пробки.
Результати спостережень оформіть у вигляді таблиці.