Определение коэффициента поверхностного натяжения

К сожалению общепринятой теории возникновения  поверхностных сил не существует. Имеющиеся точки зрения сводятся к следующим:

1) Выдвигается гипотеза, утверждающая, что межмолекулярные взаимодействия  благодаря особой ориентации  как самих молекул в поверхностном  слое, так и их полей осуществляются  преимущественно в направлении,  тангенциальном к поверхности.  Благодаря такой особой структуре  поверхностного слоя возникают  силы поверхностного натяжения.  Иначе говоря, согласно этой точки  зрения существует особая анизотропия  молекулярных сил в поверхностном  слое, а происхождение этих сил  может быть связано с лондоновским (обменным) взаимодействием ван-дер-ваальсового  типа.

2) Падение давления в жидкости  по толщине поверхностного слоя  при постоянном переходе от  жидкости к пару, численно равное  свободной поверхностной энергии,  служит причиной поверхностного  натяжения (Беккер).

Обе эти точки зрения при их развитии наталкиваются на серьёзные трудности.

3) Н. Адам, наконец, считает, что  понятие поверхностного натяжения  имеет смысл лишь математического  эквивалента поверхностной энергии.  Введение понятия поверхностного  натяжения он сопоставляет с  принципом возможных перемещений  в статике, как чисто математическим  приёмом. Так как наличие свободной  энергии поверхности может быть  объяснено молекулярным давлением,  то, по Адаму, нет надобности  задаваться вопросом, каким образом  это приводит к возникновению  тангенциальных сил поверхностного  натяжения.

Эта точка зрения не даёт, однако, оснований  отрицать, как это делает Адам, физическую реальность поверхностного натяжения.

Таким образом, подводя итоги, можно  лишь сказать, что ясности в вопросе  о происхождении поверхностного натяжения в настоящее время  нет и что этот вопрос нуждается  в теоретической разработке.

 

Глава 2. Определение  коэффициента поверхностного натяжения

2.1 Обнаружение  поверхностного натяжения у жидкости  с помощью поплавка

 

Для того, чтобы провести данный эксперимент  необходимо следующее оборудование: 1) ареометр с пределами измерений 1,000-0,700; 2) стеклянный цилиндр ёмкостью 1 л (длина 465 мм, диаметр 65 мм); 3) сетка  медная диаметром 35 мм (9 клеток на 1 см); 4) два резиновых колечка; 5) глазная  пипетка; 6) эфир.

1

2

Рис. 7. Поплавок из ареометра: 1 – резиновые  колечки,

2 – медная сетка.

Рис. 8. Установка для демонстрации поверхностного натяжения воды с помощью ареометра.

Рис. 9. Сетка задерживает поплавок у  поверхности воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для обнаружения поверхностного натяжения  воды пользуются ареометром как поплавком. На расстоянии 6-7 см от верхнего конца  ареометра одевают кружок, вырезанный из мелкой медной сетки, и укрепляют  его сверху и снизу двумя резиновыми колечками (рис. 7). Затем наливают воду в литровый цилиндр и опускают в него ареометр с таким расчётом, чтобы сетка плавающего ареометра находилась на 1-2 см над поверхностью воды (рис. 8).

Если затем пальцем медленно и неглубоко погрузить сетку  ареометра под воду и осторожно  отпустить палец, то можно наблюдать, что ареометр не всплывает: сетка  задерживается у поверхности  воду (рис. 9). Это объясняется тем, что поверхность воды, как бы обладая  свойствами упругой плёнки, удерживает сетку, мешая ей вместе с ареометром подняться вверх в своё первоначальное положение.

Если внести теперь с помощью  глазной пипетки 2-3 капли эфира  на поверхность воды, то сетка сейчас же оторвётся от воды и ареометр опять поднимется вверх. Это объясняется  тем, что поверхностное натяжение  у эфира примерно в 4 раза меньше, чем у воды.

Для большей наглядности можно  проводить демонстрацию с применением  плоского зеркала, расположенного над  цилиндром под углом 45^О к поверхности воды.

Рис. 10. Поплавок из склянки и пробки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В случае отсутствия ареометра поплавок можно сделать из маленького стеклянного  пузырька с широким горлом (или  из пробирки), вставив предварительно в него стеклянную трубку или проволочку с помощью резиновой пробирки (рис. 10). Пузырёк надо предварительно нагрузить, т.е. насыпать в него песок, гвозди, дробь и т.п., причём величина груза подбирается путём нескольких проб.

2.2 Получение  мыльных плёнок на каркасах  разной формы

 

Оборудование: 1) проекционный аппарат; 2) пружинный динамометр на 1 Г с  ценой деления 100 мГ; 3) штатив; 4) кристаллизатор или плоскопараллельная кювета на стержне; 5) два проволочных каркаса –  кольцо с ниткой и «качели»; 6) П-образный каркас из проволоки с подвижной  перекладиной; 7) мыльный раствор.

 

 

Подвешивают на штативе «качели», т.е. две прямые проволочки диаметром 0,3 мм и длиной приблизительно 50 мм, предварительно связывают между  собой тонкими нитями (рис. 11, а). Затем  подносят снизу кристаллизатор или плоскопараллельную кювету с мыльным раствором, чтобы проволочка погрузилась в раствор. Медленно опускают вниз кювету и получают между проволоками и нитями сплошную мыльную плёнку. Обращают внимание, что нижняя проволочка «качелей» заметно поднялась вверх, а боковые нити приняли форму дуг (рис. 11, б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если слегка потянуть за нижнюю нить, то плёнка растянется и каркас примет вид правильного прямоугольника. Если же нить отпустить, то нижняя проволочная  перекладина опять поднимется и  поверхность плёнки снова сократится.

Заменяют качели проволочным каркасом в виде кольца, к которому свободно (без натяжения) привязана тонкая (лучше шелковая) нитка с петелькой  в средней части (рис. 12, а). Как  и в предыдущем опыте, получают на поверхности кольца сплошную мыльную  плёнку. Затем прорывают её, например, в правой части кольца и опять  обнаруживают значительное уменьшение поверхности плёнки, так как нить принимает форму дуги окружности (рис. 12, б)¹.

Снова получают сплошную плёнку на проволочном  кольце и прорывают её внутри нитяной  петельки. Нить растянется и образует правильную окружность (рис. 12, в).

Эти опыты убеждают учащихся в наличии  поверхностного натяжения. Кроме того, они показывают, что плёнка изменяется, если ей предоставить возможность, в  сторону уменьшения поверхности  и, что силы поверхностного натяжения  всегда направлены перпендикулярно  к любому элементу контура, ограничивающего  плёнку.

Демонстрировать описанные опыты  удобно в проекции. Для этого рекомендуется  установка, схематически изображённая на рис. 13.

2

4

3

1

5

Рис. 13. Схема установки для проецирования  мыльных плёнок: 1 –плёнка, 2 – осветитель с конденсором, 3 – объектив, 4 –  экран, картонная ширма.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее надо показать учащимся один из простейших методов определения  коэффициента поверхностного натяжения  какой-либо жидкости, например мыльного раствора. Для этого может быть применён самодельный прибор, изображённый на рис. 14, состоящий из чувствительного  пружинного динамометра и подвешенной  к нему проволочной П-образной петли  шириной 50 мм, динамометр снабжён прозрачной шкалой, изготовленной из органического  стекла ил целлулоида, с нанесёнными  делениями от 0 до 1 Г, с ценой деления 100 мГ.

 

Рис. 14. Установка  для демонстрации величины поверхностного натяжения:

1 – пружинный динамометр, 2 –  проволочная петля, 3 – прозрачная  шкала динамометра.

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

2

4

3

1

5

Рис. 15. Схема  установки для проецирования  опыта с динамометром: 1 – динамометр, 2 – осветитель с конденсором, объектив, 4 – экран, 5 – картонная ширма.

Для демонстрации опыта поступают  так. Сначала устанавливают вблизи конденсора проекционного аппарата динамометр с подвешенным к нему П-образным каркасом и проецируют шкалу  динамометра на экран. Схема для  проецирования установки показана на рис. 15, а та часть установки, изображение которой должно быть получено на экране, выделена пунктиром на рис. 16.

 

Чтобы не учитывать в дальнейшем вес петли, нужно перед проецированием прибора отвернуть слегка винт а (рис. 16) и, переместив пружину, установить указатель против нуля шкалы.

 

Рис. 16. Детали установки с чувствительным динамометром.

а

 

 

 

 

 

 

 

Затем подставляют под петлю  кристаллизатор с мыльным раствором  так, чтобы верхняя сторона петли  была погружена в раствор. При  опускании кристаллизатора петля  затянется сплошной мыльной плёнкой. На пружину будет действовать  направленная вниз сила поверхностного натяжения, которую легко определить по показаниям динамометра, заметным для  всего класса. А зная силу, например 350 мГ, и длину проволочной перекладины (5 см) легко найти коэффициент  поверхностного натяжения:

 

 

Полученная таким образом величина, довольно хорошо соответствует истинному  значению коэффициента поверхностного натяжения, на что и следует обратить внимание учащихся.

Перед проецированием динамометра  полезно нарисовать схему опыта  на классной доске и показать сначала  без проекции образование плёнки на П-образной рамке.

Для изготовления чувствительного  динамометра, применённого в описанном  опыте, очень важно выбрать достаточно тонкую и упругую проволоку. Наиболее подходящей оказалась проволока  от спирали малой лабораторной электроплитки. Эту проволоку в количестве 16 витков тщательно навивают на круглый  стержень (карандаш) диаметром 8 мм, зажатый  предварительно в тиски. Затем пружину  снимают со стрежня и придают  ей форму и размеры.

Далее вставляют пружину через  тонкую металлическую трубку в отверстие  стержня с зажимным винтом. Трубка, имеющая узкую прорезь на боковой  поверхности для указателя, должна быть заранее припаяна к стержню. За указателем, припаянным к пружине, укреплена тонкая пластинка из органического  стекла, на которой наносятся штрихи с помощью острой иглы. Чтобы увеличить  видимость, в углубление штрихов  полезно втереть графит от обычного карандаша или чёрную тушь.

Градуировка шкалы производится с  помощью разновеса: 1 Г, 500 мГ, 200 мГ, 200 мГ и 100 мГ. Таким образом, вся шкала, рассчитанная на 1 Г, имеет 10 делений  с ценой каждого деления 100 мГ.

 

Заключение

 

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.

Сознательное выполнение эксперимента, внимательность и сосредоточенность  на процессе измерений, бережное отношение  к приборам – необходимые условия  успешного проведения опыта.

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.

Фронтальный метод постановки лабораторных занятий по физике в средней школе, как известно, имеет ряд весьма важных положительных сторон. Это  прежде всего даёт возможность тесно  связать лабораторные работы учащихся с изучаемым курсом. Благодаря  фронтальному методу лабораторные занятия  могут быть поставлены как введение к тому или иному разделу курса, или как иллюстрация к объяснению учителя, или как повторение и  обобщение пройденного материала.

Таким образом, лабораторный эксперимент  учащихся становится необходимым звеном в процессе обучения, значительно  помогающим усвоению материала, как  и демонстрационные опыты.

Широкое применение фронтальных лабораторных работ по физике в настоящее время  является необходимостью. Оно должно привести, согласно современным методическим взглядам, проверенным практикой, к значительному и резкому повышению качества обучения физике; оно будет служить серьёзной опорой для борьбы не на словах, а на деле с «меловым» методом преподавания физики, насаждающим формализм в знаниях учащихся, т.е. отсутствия глубокого понимания самой сущности многих физических явлений. На фронтальных занятиях учащимся прививают правильные начальные практические навыки, которые в дальнейшем могут нормально развиваться и совершенствоваться.

Существующие экспериментальные  методы определения коэффициента поверхностного натяжения для обычных школ недостаточны для школ с углублённым изучением  физики. Вышеприведенная разработка работы поможет учителям в с углублённых  изучением предмета. Учащиеся таких  образовательных учреждений смогут более углублённо ознакомиться с  явлением поверхностного натяжения.