В каком из сосудов вода смачивает капилляр

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение города Москвы
«Образовательный комплекс градостроительства «Столица»

115419 г. Москва, ул. Академика Петровского д.10. stolitsa@edu.mos.ru

УРОК ФИЗИКИ 10 КЛАСС

Тема: «Поверхностное натяжение и смачивание. Капиллярные явления»

Цели урока: 1) поспособствовать формированию представления о свойствах жидкости, об особенностях поверхностного слоя, натяжении и смачивании, капиллярных явлениях; 2) создать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся; 3) выяснить причину возникновения силы поверхностного натяжения.

Задачи урока: 1) выявить причины явлений смачивания и несмачивания; 2) изучить теоретический материал о капиллярном явлении; 3) рассмотреть опыты, подтверждающие существование данных явлений.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях……………………………………………………………………4

2. Смачивание поверхности………………………………………….……….6

3. Капиллярные явления………………………………………………….…..8

4. Капиллярные явления в строительстве…………………………………..11

5. Практическая часть………………………………………………………..11

6. Заключение……………………………………………………………..…12

Ход урока:

I. Механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкостях.

Поверхностное натяжение – стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, т.е. уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Проблемный вопрос: почему вода не проливается из стаканчика и принимает форму шляпки гриба? Попробуем разобраться в этом.

У жидкости есть свободная поверхность. Равнодействующая сил, действующая на каждую молекулу на поверхности жидкости, будет направлена внутрь жидкости, перпендикулярно поверхности. Поэтому поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости.

Молекулы поверхностного слоя обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией, т.е. поверхностной энергией. Жидкость принимает такую форму, при которой эта энергия будет иметь минимальное значение, а ее площадь оказывается минимальной для данного объема жидкости.

Как же направлены силы поверхностного натяжения? Силами поверхностного натяжения, называют силы, действующие вдоль поверхности жидкости, перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность.

Теперь, когда мы поняли, как устроено поверхностное натяжение, куда направлены его силы, стоит узнать про механизм возникновения поверхностного натяжения в жидкости. Итак, если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то на ней образуется пленка жидкости. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки и направлены вверх.

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твердых тел. Обычно это «жидкость – газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз.

Коэффициент поверхностного натяжения – это физическая величина, равная отношению силы, с которой поверхностный слой жидкости действует на ограничивающий его контур к длине этого контура. Каждому веществу соответствует свое значение поверхностного натяжения. Находится по формуле: σ=F / l, где F – модуль силы поверхностного натяжения, которая действует на линию разрыва поверхности. Она направлена по касательной к поверхности раздела двух фаз в направлении сокращения площади поверхности и нормально по отношению у линии разрыва. l – длина линии разрыва поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от: 1) рода жидкости; 2) наличия примесей; 3) от температуры (при высокой температуре коэффициент поверхностного натяжения стремится к нулю.) Но независит от площади свободной поверхности жидкости.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Если положить швейную иглу на поверхность воды, поверхность прогнется и не даст ей утонуть. Действием сил поверхностного натяжения можно объяснить скольжение легких насекомых таких, например, как водомерки, по поверхности водоемов. Лапка водомерки деформирует водную поверхность, увеличивая тем самым ее площадь. Вследствие этого возникает сила поверхностного натяжения, которая стремится уменьшить подобное изменение площади. Равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена вверх, компенсируя при этом силу тяжести.

На действии сил поверхностного натяжения основан 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. При нажатии на резиновый колпачок пипетки, создается дополнительное давление, которое помогает силе тяжести, в результате чего капля падает вниз.

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.

Опыт 1. Обнаружение силы поверхностного натяжения жидкости.

Оборудование: стакан с водой и мыльным раствором, лезвие, проволока.

Порядок выполнения работы:

1) Налейте воду в стакан.

2) Осторожно положите лезвие на поверхность воды. Рассмотрите форму поверхности воды около лезвия. 
3) Погрузите лезвие в воду. Почему в этом случае оно тонет? 
4) Опустите проволочную петлю в стакан с водой, а затем осторожно выньте ее из воды. В петле образовалась пленка. Осторожно изменяйте площадь поверхности плёнки. Для этого раздвигайте и сближайте концы проволочной петли. Какая сила удерживает воду в петле?

II. Смачивание поверхности.

Рассмотрим вопрос смачивания и несмачивания жидкостями твёрдых тел.

Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по данному телу, смачивает поверхность.

Жидкость, которая не растекается по поверхности твёрдого тела, а собирается в каплю, не смачивает данное тело.

Объяснить явление несложно: если силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела больше, чем между молекулами жидкости, то возникает смачивание. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твёрдого тела, то возникает несмачивание.

Смачивание и несмачивание – понятия относительные, поскольку жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Пример: вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин. Ртуть не смачивает стекло, но смачивает алюминий.

Смачивание – явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости на границе с твердым телом.

Смачивание бывает двух видов:

1. Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

2. Контактное (состоит из 3х фаз – твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела и силами взаимного сцепления молекул жидкости.

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли.

Мерой смачивания служит краевой угол θ — это угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой (плоскостью поверхности твердого тела). Внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающей жидкости θ — острый, для несмачивающей θ — тупой. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°. 

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.) К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений.

К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть.

Опыт 2. Подтверждение существования явлений смачивания и несмачивания.

Оборудование: стеклянная пластинка, ватка, одеколон, чистый лист белой бумаги, стеарин, пипетка, стакан воды.

Порядок выполнения работы:

1) Хорошо ее вымойте пластину мылом и теплой водой.

2) Когда она высохнет, протрите одну сторону ваткой, смоченной в одеколоне. Ничем ее поверхности не касайтесь, а брать пластинку теперь нужно только за края. 

3) Возьмите кусочек гладкой белой бумаги и накапайте на него стеарин со свечи, чтобы на нем получилась ровная плоская стеариновая пластинка размером с донышко стакана. Положите рядом стеариновую и стеклянную пластинки.

4) Капните из пипетки на каждую из них по маленькой капле воды. На стеариновой пластинке получится полушарие диаметром примерно 3 миллиметра, а на стеклянной пластинке капля растечется.

5) Теперь возьмите стеклянную пластинку и наклоните ее. Капля уже и так растеклась, а теперь она потечет дальше. Молекулы воды охотнее притягиваются к стеклу, чем друг к другу. Другая же капля будет кататься по стеарину при наклонах пластинки в разные стороны. Удержаться на стеарине вода не может, она его не смачивает, молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стеарина. 

III. Капиллярные явления.

Если жидкость смачивает капилляр, то благодаря действию сил поверхностного натяжения жидкость поднимается на высоту h относительно уровня жидкости в широком сосуде. В случае несмачивания она опускается на высоту h.

Явления поднятия или опускания жидкости в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения называются капиллярными явлениями.

Высота h поднятия жидкости по капилляру определяется соотношением:

h=2σ / ρgr, где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости; ρ – плотность жидкости; r – радиус капилляра; g – ускорение свободного падения.

Изогнутую поверхность жидкости называют мениском.

Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в капилляре поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, это приводит к опусканию жидкости в капилляре.

При определенных обстоятельствах вода способна самопроизвольно подниматься вверх. Если поместить достаточно тонкую трубку (например, соломинку) в сосуд с водой, уровень воды в трубке поднимается выше уровня воды в сосуде. Разница между уровнями воды в сосуде и в трубке будет тем больше, чем меньше внутренний диаметр трубки.

Способность воды подниматься в трубке с достаточно узким каналом – один из примеров, так называемых капиллярных явлений, благодаря которым растения способны доставлять воду из почвы к ветвям и листьям. Эти же явления помогают крови циркулировать в человеческом теле, особенно в капиллярах – мельчайших кровеносных и лимфатических сосудах. Кроме того, это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам.

Капиллярные явления мы можем наблюдать и в природе, и в быту. Например, почва имеет рыхлое строение и между ее отдельными частицами находятся промежутки, представляющие собой капилляры. При поливе по капиллярам вода поднимается к корневой системе растений, снабжая их влагой. Также находящаяся в почве вода, поднимаясь по капиллярам. испаряется. Чтобы уменьшить эффективность испарения, тем самым сократив потери влаги, почву разрыхляют, разрушая капилляры. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни тесно связана с диффузионными явлениями.

В быту капиллярные явления используются при промокании влажной поверхности бумажным полотенцем или салфеткой.

Опыт 3. Подтверждение существования капиллярных явлений.

Оборудование: стакан с водой, пищевой краситель любого цвета, лист со стеблем.

Порядок выполнения работы:

1) В воде растворяем пищевой краситель, например, красного цвета. Вода подкрашивается для того, чтобы можно было наблюдать за поднятием жидкости по стеблю.

2) В подкрашенную воду опускаем стебель. Через некоторое время становится заметно, что подкрашенная вода сама поднимается вверх по стеблю.

Вывод: мы наблюдаем подтверждение существования капиллярных явлений.

Опыт 4. Подтверждение существования капиллярных явлений.

Оборудование: стакан с водой,тряпочка.

Порядок выполнения работы:

Возьмем чистую тряпочку и опустим один ее конец в стакан с водой, а другой свесим наружу через край стакана. Вода начнет подниматься по порам ткани, аналогичным капиллярным трубкам, и пропитает всю тряпочку. Избыток воды будет капать с висящего конца.

IV. Капиллярные явления в строительстве.

Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле.
Капиллярные явления рассматриваются в учебниках строительных материалов несколько односторонне – как капиллярное всасывание, т. е. подъём жидкости (воды) по капиллярам материала. Приводится классическое проявление капиллярного всасывания – подъём воды из грунта по фундаменту и стенам, чему должна препятствовать вертикальная и горизонтальная гидроизоляция.

Смачивание – первая стадия взаимодействия любого строительного материала, прежде всего, с водой, главной жидкостью, с которой контактирует материал в процессе эксплуатации.

Пористые строительные материалы, такие как легкий бетон, стеновой кирпич, раствор, дерево и многие утеплители, всасывают воду. Это может привести к строительным повреждениям вследствие увлажнения строительных конструкций, как, например, разрушения вследствие замерзания, к коррозии и откалыванию штукатурки, краски и обоев, к образованию плесени и грибковых поражений, а также к уменьшению теплоизоляции и к ухудшению внутренней среды в помещениях.

Поэтому, более долговечный и эффективный способ защиты строительных материалов от влаги – это глубокая пропитка окунанием в водоотталкивающий состав, который закупоривают капилляры. Для того, чтобы жилой дом эксплуатировался как можно дольше необходимо правильно защитить стены его фундамента от разрушительного воздействия грунтовых, дождевых и талых вод. Гидроизоляция стен предотвращает пропитывание бетона или кирпича влагой, что значительно снижает уровень их промерзания в зимний период и делает дом теплее.

V. Практическая часть.

Тест по теме «Поверхностное натяжение, смачивание, капиллярные явления»:

1. Способность жидкости сокращать свою поверхность называют:

а) смачиванием, б) поверхностным натяжением, в) капиллярными явлениями.

2. Поверхностное натяжение зависит:

а) от рода жидкости, б) от объема сосуда, в) от давления.

3. Чему равен краевой угол при полном смачивании:

а) θ = 0°, б) θ = 90°, в) θ = 180°.

4. Как направлены силы поверхностного натяжения относительно поверхности жидкости:

а) параллельно, б) перпендикулярно, в) вдоль.

5. Подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра называется:

а) капиллярными явлениями, б) смачиванием, в) диффузией.

6. Какую форму принимает жидкость в условиях невесомости?

а) жидкость принимает форму сосуда, в котором находиться; б) жидкость принимает форму шара, в) определенного ответа дать нельзя.

7. Почему капля воды имеет форму шара?

а) поверхность шара минимальна среди поверхностей тел данного объема, б) на каплю действует воздух во время ее движения. Он и сглаживает все неровности на жидкой капле, в) с любых неровностей молекулы жидкости испаряются быстрее, поэтому все выступы на капле быстро исчезают.

8. Изменится ли коэффициент поверхностного натяжения жидкости, если длина поверхности увеличится в 2 раза?

а) увеличится в 2 раза, б) уменьшится в 2 раза, в) не изменится.

VI. Заключение.

Исходя из проведенного урока, мы узнали, что явления смачивания и несмачивания имеют важное значение в природе, промышленной технологии, быту. Хорошее смачивание необходимо при окрашивании и стирке, обработке фотографических материалов, нанесении лакокрасочных покрытий, пропитке волокнистых материалов, склеивании и т.д. Снизить смачивание до минимума стремятся при установке гидроизоляционных материалов и др. 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.

Для себя мы поняли, что:

1) Вода может двигаться вверх благодаря атмосферному давлению, например, в сообщающихся сосудах или капиллярах.

2) Система кровообращения содержит капилляры.

3) Капилляр – один из механизмов транспортировки воды в грунте, питание растений.

Закон капиллярности можно использовать в быту. Например, когда мы рисуем фломастерами, то в них используется принцип капиллярности. Когда мы пролили воду на пол, то с легкостью можем убрать лужу с пола с помощью тряпки. Флористы красят растения в необходимые им цвета. Все это – капиллярные явления.

Мы убедились в том, что жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной. 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 или мыльные пузыри.