Документ 4414018
реклама
XIV ГОРОДСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «Первые шаги в науку -2011» Секция «физика» Тема работы Мыльные пузыри - радужное чудо Федорова Марина Сергеевна МКОУ «СОШ № 18», 8 класс Руководитель работы: Ягнышева Надежда Васильевна, учитель физики Лесосибирск, 2011 Содержание 1. Структура стенки мыльного пузыря 2. Физические свойства 2.1 поверхностное натяжение и форма 2.2 замерзание пузырей 2.3 объединение пузырей 2.4 интерференция и отражение 3. Математические свойства 4. Как делать мыльные пузыри 4.1 Компоненты 4.2 Процедура 4.3 Технология выдувания мыльных пузырей 5. Литература Цель работы: Изучить свойства мыльных пузырей, физические явления, происходящие с ними, а также найти практическое применение. Задачи 1) Изучить специальную литературу по теме исследования; 2) Изучить свойства мыльных пузырей; 3) Изучить природу этого явления; 4) Исследовать процесс изготовления мыльных пузырей при разных условиях; Мыльный пузырь — тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностей. Мыльные пузыри обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети. Из-за недолговечности мыльный пузырь стал синонимом чего-то привлекательного, но бессодержательного и недолговечного. Иногда акции на новых рынках сравнивают с мыльными пузырями, в случае искусственного раздутия их ценности их называют «дутыми». Структура стенки мыльного пузыря Плёнка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключённого между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной, а другая гидрофобной. Гидрофильная часть привлекается тонким слоем воды, в то время как гидрофобная, наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение. Физические свойства Поверхностное натяжение и форма Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле, оно делает как раз обратное, уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря еще больше. Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической. Определение поверхностного натяжения: Для своих опытов я использовала простую и дистиллированную воду и получила результаты, представленные в таблице: Поверхностное натяжение, ньютон /метр Чистой Раствор моющей жидкости при концентрации воды 6% 12% 25% 50% Обычная вода + 0,52 0,079 + 0,089 + 0,106 + 0,120 + фэрри 0,005 0,001 0,003 0,001 Дистиллированная 0,083 0,096 + 0,115 + 0,131 + 0.165 вода + фэрри 0,001 0,001 0,004 Из этого примера видно, что использовать дистиллированную воду гораздо эффективнее, чем обычную. Способ измерения поверхностного натяжения в мыльной пленке. Нужно сначала закрепить весы, а затем взять проволочку и согнуть ее в двух местах, одинаково удаленных от концов. После этого к центру проволочки прикрепим ниточку, к другому концу нитки - кусочек пластилина. Пластилин (вместе с ниткой и проволочкой) прилепим к одной чаше весов, после чего весы уравновесим. Дальше раствор моющей жидкости поместим под чашей весов с проволочкой так, чтобы проволочка полностью погрузилась в раствор. Потом еще раз все уравновесим и понемногу начнем подсыпать песок в противоположную чашу весов. Как только мыльная пленка на проволочке лопнет, перестанем сыпать песок. После этого взвесим песок и по формуле =mg/21 найдем поверхностное натяжение (в единицах ньютон/метр), величина которого и определяет прочность мыльного пузыря. А что же касается жизни мыльного пузыря, то все зависит от концентрации раствора - от нескольких секунд до минут! Состав воды тоже влияет на время жизни: например, из соленой воды с моющей жидкостью ничего не выдуешь, а при добавлении глицерина в пресную воду пузыри получаются большие. Замерзание пузырей Если надуть пузырь при температуре −150С, то он замёрзнет при соприкосновении с поверхностью. Воздух, находящийся внутри пузыря, будет постепенно просачиваться наружу и в конце концов пузырь разрушится под действием собственного веса. При температуре −25 °C пузыри замерзают в воздухе и могут разбиться при ударе о землю. Если при такой температуре надуть пузырь тёплым воздухом, то он замёрзнет почти в идеальной сферической форме, но по мере того, как воздух будет охлаждаться и уменьшаться в объёме, пузырь может частично разрушиться, и его форма будет искажена. Пузыри, надутые при такой температуре, всегда будут небольшими, так как они будут быстро замерзать, и если продолжать их надувать, то они лопнут. Объединение пузырей Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря, так как меньший пузырь имеет бо́льшую среднюю кривизну, большее внутреннее давление. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской. Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в 1976 г. Жаном Тейлором. Мыльные плёнки представляют собой кусочно- гладкие поверхности, средняя кривизна которых постоянна на каждом гладком участке. Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности. Линии пересечения поверхностей пересекаются в одной точке по четыре штуки, причём угол между любыми двумя равен arccos(-1/3)≈109,47°. Пузыри, не подчиняющиеся этим правилам, в принципе могут образовываться, однако будут сильно неустойчивыми и быстро примут правильную форму либо разрушатся. Пчелы, которые стремятся уменьшить расход воска, соединяют соты в ульях также под углом 120°, формируя, тем самым, правильные шестиугольники. Интерференция и отражения Переливчатые «радужные» радужные цвета мыльных пузырей получаются за счёт интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной плёнки. Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений. Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки. По мере того, как плёнка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становится тоньше, чем длина волны видимого света, все отражающиеся волны видимого света складываются в противофазе и мы перестаем видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном»). Когда это происходит, толщина стенки мыльного пузыря меньше 25 нанометров, и пузырь, скорее всего, скоро лопнет. Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой пузыря. Таким образом, даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы всё равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз. Математические свойства Мыльные пузыри также являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Например, несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме, только в 2000 году было доказано, что два объединённых пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединённом объёме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря. Также, лишь с появлением геометрической теории меры удалось доказать, что оптимальная поверхность будет кусочно-гладкой, а не бесконечно изломанной. Плёнка мыльного пузыря всегда стремится минимизировать свою площадь поверхности. Это связано с тем, что свободная энергия жидкой плёнки пропорциональна площади её поверхности и стремится к достижению минимума: где σ — поверхностное натяжение вещества, а S — полная площадь поверхности плёнки. Оптимальная форма отдельного пузыря — сфера, однако несколько пузырей, объединённых вместе, имеют гораздо более сложную форму. Как делать мыльные пузыри Самый простой способ — использовать специальную жидкость для мыльных пузырей (которая продается в качестве игрушки) или просто смешать средство для мытья посуды с водой. Но последний способ может не дать таких хороших результатов, каких хотелось бы получить, поэтому вот несколько приёмов, помогающих улучшить результат: Компоненты Что-нибудь уменьшающее поверхностное натяжение воды, например, жидкое мыло или детский шампунь. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем лучший результат может получиться. Что-нибудь уплотняющее воду. Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в тёплой воде. Однако плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность. Дистиллированная вода. Вода из-под крана содержит ионы кальция, которые связывают мыло. Дистиллированная вода работает лучше. Процедура Если оставить смесь открытой на несколько часов, то ее плотность тоже станет выше. Но, снова, если она станет слишком высокой, выдувать пузыри будет сложно. Лучше избегать пузырьков или пены на поверхности смеси, аккуратно их убирая или просто дождавшись, пока они исчезнут. То, насколько просто будет делать пузыри, зависит от множества разных факторов. Разное мыло, разные условия окружающей среды, например, лучше избегать пыльного воздуха или ветра. Также, чем больше влажность воздуха, тем лучше, а значит лучше делать пузыри в дождливый день. Другими словами, наилучший способ найти идеальное решение — это метод проб и ошибок. Большое значение имеет материал и форма трубочки или кольца для выдувания пузырей. Кольцо используется для создания множества относительно маленьких пузырей. Трубочка для создания одного большого пузыря. Если использовать трубку из картона, с толстыми плотными стенками 1,5-2 мм, и внутренним диаметром 10-12 мм, можно получить долго живущий (до нескольких минут), прицепленный к трубке пузырь, с размерами более 30 см в поперечнике. Использование большого внутреннего диаметра позволяет вдувать воздух в достаточном объеме, и с минимальной скоростью, уменьшая колебания пузыря и риск его соскальзывания с трубки. Толстые картонные стенки — позволяют «запасать» большее количество раствора, за счет впитывания, тем самым подпитывая пузырь в процессе. Однако избыточное количество жидкости, может вызвать образование капли в нижней части пузыря, и его «срыв» вследствие большого веса. Длина трубки подбирается индивидуально, так как короткая трубка (8-10 см) легче в управлении и компенсации колебаний пузыря, для его удержания, а более длинная (15-20 см и более) позволяет нивелировать воздушные потоки образующиеся при вдыхании и выдыхании воздуха, которые могут «раскачать» и отцепить пузырь. Соревнования в размерах пузырей — спокойное и созерцательное занятие, надувание множества маленьких пузырей — более веселое действо. Опыты с мыльными пузырями и плёнками. 1. Форма. Минимальная поверхность у равных по объему предметов — сфера. Именно ее форму и пытается принять пузырь. Правда, ему мешают потоки воздуха: сначала внутренние, при надувании, потом внешние — от ветерка. Но он упорно старается вернуться к сфере, принимая самые забавные очертания. Подтвердите свои догадки опытами. 2. Радужные блики на пузырях, те самые, что превращают наши «мыльные» забавы в настоящий праздник. Это волны света, отражающиеся от внешней поверхности пленки, совмещаются (интерферируют) с волнами, отражающимися от внутренней поверхности. Разница фаз пропорциональна толщине пленки и дает усиление той или иной длины волны в зависимости от толщины. Можно заметить и изменение радужных цветов: желтые и красные тона постепенно переходят в сине-голубые, так как пленка становится тоньше и сдвиг по фазе соответствует цветам с меньшей длиной волны. 3. Картины отражения в пузырях. Картина искажается, причем чем дальше от ближайшей точки сферы, тем сильнее. Любопытно, что у пузырей видно и отражение от внутренней их поверхности, оно сильно отличается от «внешнего отражения». А при желании можно построить ход падающего и отраженного лучей для этих поверхностей. Внешнее, «панорамное» отражение — все, что «видит» сфера с нашей стороны. «Внутреннее» же может увеличивать или переворачивать изображение в зависимости от расстояния. 4. Еще увлекательная забава — или серьезное исследование, которое можно проводить самостоятельно: замерзание пузырей. Для выдувания их надо выйти на улицу (естественно, зимой, в мороз). Уже при температуре −15°C он замёрзнет. В воду, кроме шампуня, можно добавить немного глицерина — его продают в аптеках. Или подождите добавлять, — попробуйте «поморозить» пузыри без глицерина, а потом с ним. Для опытов (и не на морозе тоже) хорошо подойдет трубочка от коктейля или пустой стержень от шариковой ручки. А для больших пузырей можно использовать пластиковые бутылки с отрезанным дном. На морозе пузырь вскоре замерзнет — и, опять-таки, даст повод для разных опытов. Вы убедитесь, что замерзший пузырь — довольно прочный, не хрупкий, при падении не раскалывается на мелкие кусочки. Еще забавно наблюдать сам процесс: как на пузыре появляются центры кристаллизации и от них процесс распространяется на всю поверхность. Есть описания опыта встречи пузыря со снежинкой— для незамерзшего пузыря она станет центром и приведет к его замерзанию... Технология выдувания мыльных пузырей 1.Взять веревку (лучше не синтетическую), длиной примерно в метр, завязать кольцом, прикрепить к двум палочкам таким образом, что, когда мы держим в обеих руках палочки, веревка образует подобие треугольника. Макаем веревку в мыльный раствор, медленно разводим палочки и дуем на получившуюся пленку. Таким образом, можно получить пузырь диаметром до метра. 2.Смочите руки мыльным раствором, сделайте кольцо большим и указательным пальцем, и дуйте. Мыльное чудо окажется у вас в рук. Потрясите его, как желе. Можно надуть шарик на двух руках, а затем растянуть. Он примет форму цилиндра, поворачивайте его горизонтально, вертикально, можно сжимать шарик. 3. «Мыльные виноградинки» - полезное дыхательное упражнение. Налейте в стакан мыльный раствор. Вставьте трубочку и дуйте. Стакан начнет наполняться мелкими пузырьками. 4.Через трубочку надувайте шарик на сухой поверхности стола. Постепенно шары будут достигать все больших размеров. Заключение Изготовление и изучение мыльных пузырей позволяет продемонстрировать, «прочувствовать» множество физических законов, которые имеют важнейшее значение в науке и технике. Мыльный пузырь является уникальным объектом, содержащим внутри неразгаданные загадки физики, химии, математики. Литература: 1. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л., 1985. 2. Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1982. 3. Суорд Клифонд «Необыкновенная физика обыкновенных явлений» 4. Тарасов Л.В. «Физика в природе»,М-1989. 5. Сенчански Т., «Ставим опыт» изд.»Арним»-2008.
