Исследовательская работа по теме "Смачивание и капиллярные явления"
Мы живём в мире удивительных природных явлений. Их множество, мы встречаемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Но человек должен понимать суть этих явлений. Такие явления как смачивание и не смачивание , капиллярные явления широко распространены в природе и технике. Они важны как в повседневной жизни, так и для решения важнейших научно-технических задач. Эти знания позволяют ответить на многие вопросы. Например, почему капля в свободном полете и капля росы имеют шарообразную форму, почему одни твердые тела хорошо смачиваются жидкостью, другие плохо. Как получают питательные элементы и влагу из почвы растения, почему циркулирует кровь в живых организмах и т. д.
Хорошо известно, что изваять скульптуру из песка возможно только тогда, когда песок будет достаточно влажным. Сухие песчинки не пристают друг к другу и из них ничего построить нельзя. А вы обращали внимание, что когда человек погружается с головой в воду, его волосы расходятся во все стороны. Но стоит только высунуть голову из воды, волосы сразу же лягут на голове слипшимися слоями, поскольку в этом случае поверхность воды имеет меньшую площадь, чем при раздельном расположении волос. Мы наблюдали аналогичный эффект при использовании художественной кисти.
В воде волоски разошлись во все стороны. В воздухе волоски слиплись.
Вышеперечисленные явления заинтересовали нас, и мы решили их исследовать.
Цель работы:
Исследование некоторых особенностей смачивания и не смачивания, капиллярных явлений.
1. Провести опыты по изучению смачивания и капиллярных явлений.
2. Выяснить применение явлений смачивания и не смачивания в природе и технике
Основные методы работы: эксперимент, анализ и синтез, сравнение, обобщение.
Инструменты: лабораторное оборудование для проведения опытов, цифровой фотоаппарат, компьютер (программы Word , PowerPoint , Pudlisher ).
Основная часть
I . Некоторые свойства жидкостей.
Поверхностное натяжение
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности . Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости Молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается минимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости
Шарообразная форма жидкости
Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если сосуда нет, либо же принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.
Доказательством служит опыт Плато. (Разноцветные шарики)
1. Мы налили в пробирку касторовое масло.
2. Подкрасили воду акварельными красками.
3. Не торопясь капнули подкрашенную воду в масло.
Наблюдали: Капли приняли шарообразную форму и очень медленно опускалась на дно пробирки. Свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму
“Выдуйте мыльный пузырь, — писал великий английский ученый Кельвин, — и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики”.
Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул мыла. Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Именно стремлением пленки сократиться до наименьших возможных размеров объясняется сферическая форма мыльных пузырей.
Очень эффектные картины в поведении жидкости наблюдают космонавты во время полетов. В состоянии невесомости силы поверхностного натяжения проявляются в чистом виде, поэтому капельки воды в космическом корабле принимают форму шара.
Предметы на поверхности воды
Для проверки предположения может ли вода удерживать на поверхности предметы и от чего зависит эта способность, провели несколько экспериментов.
Опыт с лезвием.
1. Налили в чашечку воды.
2. Смазали лезвие маслом.
3. Аккуратно опустили лезвие на воду. (Оно осталась на поверхности воды)
4. Положили поперёк лезвия скрепку, а по краям две кнопки.
Вывод . Лезвие оставалась на плаву, но оно вдавилась в воду, так как удерживалось поверхностным натяжением воды.
Роль поверхностных явлений в природе разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление.
Изменение поверхностного натяжения
1. С помощью мыла.
Насыпали на поверхность воды растолченный мел, он удерживался силами поверхностного натяжения, коснулись поверхности куском мыла,
Наблюдали: мел отплыл от мыла, так как поверхностное натяжение воды уменьшилось.
2. ОПЫТ С РЫБКОЙ
1. Налили в таз воды.
2. Вырезали рыбку из плотной бумаги.
3. Вырезали в рыбе круг и от круга прорезали к хвосту полоску.
4. Налили в стакан масло.
5. Поместили рыбу на воду.
6. С помощью пипетки капнули в кружок каплю масла.
Наблюдали. Стремясь распространиться по поверхности воды, масло потекло по каналу. Растекаться в другие стороны ему не дала рыбка, а рыбка под действием масла, вытекающего назад, поплыла вперёд.
Вывод . У воды существует поверхностное натяжение и его можно изменять.
II . Явление смачивания - несмачивания.
Мы привыкли, что чернила хорошо впитываются в бумагу, нас не удивляет, что вода хорошо пропитывает ткань. Так происходит потому, что эти жидкости хорошо c мачивают большинство предметов. Но вода, к примеру, не смачивает жирные поверхности. В чем причина явления смачивания?
Взяли два предметных стёклышка от микроскопа. Поверхность одного была чистой, а поверхность другого покрыли парафином (натёрли об него свечку). Набрали в пипетку воды и капнули по нескольку капель на поверхность каждого стёклышка.
На поверхности чистого стёклышка капля растеклась, так как вода смачивает поверхность чистого стекла.
На поверхности, покрытой парафином, капля имеет сферическую форму. Вода не смачивает поверхность парафина.
Тот факт, что вода стремится занять как можно большую площадь поверхности стекла, свидетельствует о более сильном притяжении молекул воды к молекулам стекла, чем молекул воды друг к другу.
Вывод. Явление смачивания – не смачивания объясняется различным взаимодействием молекул тела и жидкости. Если молекулы жидкости притягиваются к телу сильнее, чем друг к другу, то такая жидкость смачивает тело. Если же молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к телу, то жидкость не будет смачивать данное тело.
Изучив явление смачивание мы выпустили бюллетень о результатах опытов.
Капиллярные явления.
С явлением смачивания-несмачивания очень тесно связано явление капиллярности. Познакомимся с ним на опыте. Если стеклянную трубку опустить в чашу с водой, то внутри трубки вода поднимется на некоторую высоту. Это явление подъема или опускания уровня жидкости в тонких трубках по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде называется явлением капиллярности, а трубки для наблюдения этого явления – капиллярами (греч. "капиллус" – волос).
Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках,
но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены.
Вывод. Жидкости, смачивающие материал, из которого сделан капилляр, будут в нем подниматься (вода и стекло). И наоборот: жидкости, не смачивающие капилляр, будут в нем опускаться (стекло и ртуть). Кроме того, высота подъема (опускания) жидкости зависит от толщины трубки: чем тоньше капилляр, тем больше высота поднятия (опускания) жидкости.
Объяснение явления капиллярности. Поскольку стекло смачивается водой, то вблизи поверхности пластинок или трубки водная поверхность в сосуде искривится. Вода как бы "прильнет" к стеклам, пытаясь "вползти" по ним вверх. Наблюдали, что искривление водной поверхности происходит как на внешней, так и на внутренней стороне пластинок. Вывод. Проводя эксперименты, мы увидели связь смачивания и капиллярных явлений.
Применение смачивания и капиллярных явлений.
«Пена на службе у человека». К самой идее флотации привела не теория, а внимательное наблюдение случайного факта. В конце XIX в . американская учительница Карри Эверсон , стирая замасленные мешки, в которых хранился медный колчедан, обратила внимание на то, что крупинки колчедана всплывают с мыльной пеной. Это и послужило толчком к развитию способа флотации. Этот способ широко используется в горно-металлургической промышленности для обогащения руд, т.е. для увеличения относительного содержания в них ценных составляющих. Сущность флотации состоит в следующем. Тонко измельчённая руда загружается в чан с водой и маслянистыми веществами, которые способны обволакивать частицы полезного минерала тончайшей плёнкой, не смачиваемой водой. Смесь энергично перемешивается с воздухом, так что образуется множество мельчайших пузырьков – пена. При этом частицы полезного минерала, облачённые в тонкую маслянистую плёнку, при соприкосновении с оболочкой воздушного пузырька пристают к ней, повисают на пузырьке и выносятся с ним наверх, как на воздушном шарике. Частицы же пустой породы, не обволакиваемые маслянистым веществом, не пристают к оболочке и остаются в жидкости. В итоге частицы полезного минерала почти все оказываются в пене на поверхности жидкости. Пену снимают и направляют на дальнейшую обработку – для получения так называемого концентрата. Техника флотации позволяет при надлежащем подборе примешиваемых жидкостей отделить требуемый полезный минерал от пустой породы любого состава.
2. Явление смачивания – не смачивания часто встречается в природе и быту. Например, водоплавающие птицы смазывают перья жиром, выделяющимся из специальных желез (внутренних органов птицы). Вода не смачивает жир и, поэтому, перья остаются сухими даже при нырянии (пословица "как с гуся вода"). Благодаря явлению смачивания мы можем вытираться полотенцами, мыть посуду, стирать белье. Благодаря явлению несмачивания мы можем ходить под зонтами и в плащах, не промокающих под дождем.
3. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабер , подвешиваются снизу к поверхностной плёнке воды с помощью не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом «пользуются» личинки комаров (в том числе и малярийных).
4. Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести, действуя подобно спасательному поясу.
5. Воскообразный налёт на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений . Н аличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, стога сена и т.д.
Капиллярные явления
Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т. е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.
В технике капиллярные явления имеют огромное значение, на пример, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. п. Боль шое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капил лярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным со ставом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для по дачи чернил и т. п.
6. «Капиллярные явления в растительном мире». Основной потребляющий влагу орган, где постоянно нужна вода, в том числе для фотосинтеза, – это лист, расположенный далеко от корня. Кроме того, лист окружён воздухом, который часто «отнимает» у него воду, чтобы «насытиться» водяными парами. Возникает противоречие: листу вода нужна постоянно, но он её всё время теряет, а корень постоянно имеет воду в избытке, хотя не прочь от неё избавиться. Решение этой проблемы очевидно: надо перекачать избыток воды из корня в листья. Роль такого водопровода берёт на себя стебель. Он доставляет воду к листьям по специальным трубочкам – капиллярам. У покрытосеменных они самые совершенные и представляют собой длинные (в рост самого растения) полые сосуды, стенки которых выстланы целлюлозой и лигнином. .
7. «Кровеносные сосуды». Всё тело пронизывают кровеносные сосуды. По строению они неодинаковы. Артерии – это сосуды, по которым движется кровь от сердца. Они имеют плотные упругие эластичные стенки, в состав которых входят гладкие мышцы. Сокращаясь, сердце выбрасывает в артерию кровь под большим давлением. Благодаря плотности и упругости стенки артерии выдерживают это давление и растягиваются.
Крупные артерии по мере удаления от сердца ветвятся. Самые мелкие артерии распадаются на тончайшие капилляры. Их стенки образованы одним слоем плоских клеток. Сквозь стенки капилляров вещества, растворённые в плазме крови, проходят в тканевую жидкость, а из неё попадают в клетки. Продукты жизнедеятельности клеток проникают сквозь стенки капилляров из тканевой жидкости в кровь. В организме человека примерно 150 миллиардов капилляров. Если все капилляры вытянуть в одну линию, то ею можно опоясать земной шар по экватору два с половиной раза. Кровь из капилляров собирается в вены – сосуды, по которым кровь движется к сердцу. Давление в венах невелико, стенки их тоньше стенок артерий.
8. «Капиллярные явления в природе». Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. В капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни тесно связана с диффузионными явлениями. Стволы деревьев, ветви и стебли растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями-капиллярами. И сама почва, источник питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым в зависимости от структуры и обработки быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъёма жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр. Поэтому, для сохранения влаги почву надо перекапывать, а для осушения – утрамбовывать.
В процессе своей исследовательской деятельности мы поняли, что при наблюдении различных явлений природы и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с проявлением сил поверхностного натяжения. Явления смачивания и не смачивания, капиллярные явления широко распространены как в повседневной деятельности, так и в природе, знания в этой области находят широкое применение в технике. Мы исследовали явления смачивания - не смачивания, капиллярности, выяснили их взаимосвязь. Научились наблюдать, проводить эксперименты делать выводы, фиксировать интересные явления с помощью фотоаппарата, оформлять результаты в виде презентации, буклетов. Улучшили навыки работы с компьютером.
Источники информации
1. Я И. Перельман Занимательная физика.Наука,1996
2. А.Е. Гуревич, Д.А. Исаев, Л.С. Понтак. Физика. Химия.5-6 класс.(Дрофа),1997