Муниципальное образовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа № 6 Центрального района г. Волгограда

Муниципальное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа № 6
Центрального района г. Волгограда
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
АВТОР РАБОТЫ:
МЕЛИХОВА ВИКТОРИЯ
8А КЛАСС МОУ СОШ №6,
РУКОВОДИТЕЛЬ:
УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ
КОННОВА ОЛЬГА ВАСИЛЬЕВНА
Волгоград 2014
1
Содержание
Введение
3-4
I.Теория исследования
5-9
1.1 Явление смачиваемости и несмачиваемости
5-6
1.2 Капиллярные явления
7
1.3 Объяснение капиллярных явлений
7-8
1.4 Роль капиллярных явлений в природе и технике
8-9
II. Практическая часть
10-14
Заключение
15
Список источников
16
Приложения
17-22
2
Введение
Самое удивительное в мире явление – это жизнь, в любых её проявлениях. С
этим утверждением трудно не согласится. Наш мир настолько многообразен,
что удивительные моменты, события и явления поджидают нас на каждом
шагу, независимо от того столкнулись мы с живой природой или с не живой.
Рассмотрим явления из повседневной жизни: такие явления как смачивание
и несмачивание, капиллярное явление широко распространены в природе и
технике. Они важны и в быту, и для решения важнейших научнотехнических задач.
Благодаря
капиллярности
возможны
жизнедеятельность
животных
и
растений, различные химические процессы, бытовые явления (например,
подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук
полотенцем), однако важно отметить, что в биологических объектах
капиллярный механизм перемещения жидкости не является единственным
(важную роль играет осмос).А кто из нас не пользовался бумажными
салфетками, бумажными полотенцами, бумажными носовыми платками,
туалетной бумагой. Почему они впитывают влагу? Почему разные тканевые
салфетки и полотенца это делают по-разному? От чего это зависит?
Объект
исследования: бумажные
полотенца,
туалетная
бумага,
бумажные носовые платочки разных производителей, тканевые полотенца:
махровые, льняные, вафельные, а также ткань школьной формы нашего ОУ.
Предмет
исследования
-
капиллярные
свойства
перечисленных
материалов.Гипотеза: не все тканевые и бумажные образцы впитывают
влагу одинаково.
Цель работы: выяснить качество впитывания влаги бумажных образцов
разных изготовителей и тканевых изделий различными способами.
Задачи:
3
1. изучить
литературу
по
данному
вопросу
смачиваемости
и
несмачиваемости, капиллярности;
2. узнать, какую роль играют капиллярные явления в природе и технике;
3. экспериментально определить способность материалов впитывать
влагу различными способами;
4. выявить материал (для тканевых образцов) и образцы лучших
производителей
(для
бумажных),
которые
обладают
высоким
качеством по впитыванию влаги.
5. написать письмо благодарности изготовителям бумажных образцов,
которые обладают наилучшим качеством по впитыванию влаги.
Методы исследования: в соответствии с задачами исследования были
использованы
теоретические
методы:
методы
систематизации
теоретического материала, исследовательские методы, обобщение
накопленного
материала,
публицистической
изучение
литературы
по
и
анализ
проблеме
научной
и
исследования,
моделирование, интерпретация полученных результатов исследования;
обсервационные методы: наблюдение, фиксирование результатов
исследования и развития, физический эксперимент; статистические
методы: математические методы обработки результатов исследования,
табличная
и
графическая
интерпретация
компьютерными программами.
I. Теория исследования
4
данных;
работа
с
1.1Явление смачиваемости и несмачиваемости
Жидкости - это вещества, которые сохраняют свой объем, но не имеют
постоянной формы, принимая форму сосуда, в котором находятся.
Сохранение объема жидкости показывает, что между ее молекулами
действуют силы притяжения, а расстояние между молекулами меньше
радиуса молекулярного взаимодействия. Иными словами, в объеме,
размеры которого меньше радиуса действия сил молекулярного
взаимодействия, наблюдается упорядоченное, расположение молекул
жидкости.
Однако
в
объеме
с
размерами
больше
радиуса
взаимодействия сил молекулярного притяжения доминируют силы
броуновского движения молекул, что приводит к их хаотическому
перемещению. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью,
состоит как бы из множества зародышей кристаллов, которые, однако,
неустойчивы, распадаются в одном месте, но снова возникают в
другом. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний
порядок. По своим свойствам жидкости занимают промежуточное
положение между газами и твердыми телами.
Из явлений, связанных со свойствами жидкости, наиболее часто в
технологических
процессах
имеют
дело
со
смачиванием
и
капиллярными явлениями.
При контакте различных веществ с жидкостями наблюдаются
различной степени силовые и физико-химические взаимодействия.
Например, при опускании и вынимании стеклянной палочки в ртуть и в
воду оказывается, что молекулы ртути притягиваются друг к другу
сильнее, чем к молекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг
к другу слабее, чем к молекулам стекла. Если молекулы жидкости
притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого
вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Если
молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к
5
молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей
это вещество.
Смачивание — явление, возникающее вследствие взаимодействия
молекул жидкости с молекулами твердых тел. Если силы притяжения
между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения
между молекулами жидкости, то жидкость называют смачивающей;
если силы притяжения жидкости и твердого тела меньше сил
притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называют
несмачивающей это тело.
Одна и та же жидкость может быть смачивающей и несмачивающей по
отношению к разным телам. Так, вода смачивает стекло и не смачивает
жирную поверхность, ртуть не смачивает стекло, а смачивает медь.
Смачивание или несмачивание жидкостью стенок сосуда, в котором
она находится, влияет на форму свободной поверхности жидкости в
сосуде. Если большое количество жидкости налито в сосуд, то форма
ее поверхности определяется силой тяжести, которая обеспечивает
плоскую и горизонтальную поверхность. Однако у самых стенок
явление смачивания и несмачивания приводят к искривлению
поверхности жидкости, так называемые краевые эффекты.
Количественной характеристикой краевых эффектов служит краевой
угол θ - угол между плоскостью касательной к поверхности жидкости и
поверхностью твердого тела. Внутри краевого угла всегда находится
жидкость (Приложение 1рис.1). При смачивании он будет острым , а
при несмачивании – тупым .
Если смачивающая жидкость находится на открытой поверхности
твердого тела (Приложение 1рис.2а), то происходит ее растекание по
этой поверхности. Если на открытой поверхности твердого тела
находится несмачивающая жидкость, то она принимает форму,
близкую к шаровой (Приложение 1рис.2б).
1.2 Капиллярные явления
6
Капиллярные
явления
-
физические
явления,
обусловленные
поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся
сред. К капиллярным явлениям относят явления в жидких средах,
вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой
жидкостью, газом или собственным паром.
Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно
отчетливо видно в узких трубках, где искривляется вся свободная
поверхность жидкости. В трубках с узким сечением эта поверхность
представляет
собой
часть
сферы,
ее
называют
мениском.
У
смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (Приложение 2
рис. а), а у несмачивающей — выпуклый (Приложение 2 рис. б). Так
как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного
сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная
поверхность жидкости стремится выпрямиться.
Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо
да Винчи(1561г), Б. Паскалем(17век) и Дж. Жюреном (Джурин, 18 век)
в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений
развита в работах П. Лапласа (1806 г.), Т. Юнга (Янг,1805 г.),
Дж.У.Гиббса (1875 г.) и И.С. Громеки (1879, 1886 гг.)
1.3 Объяснение капиллярных явлений
Если жидкость полностью смачивает твёрдое тело (а=0), то со стороны
жидкости на линию её соприкосновения с твёрдым телом, длина
которой 2ПR , действует направленная вниз сила поверхностного
натяжения,
капилляра,
модуль
которой
равен
F=2r
,
где
r
-
радиус
- коэффициент поверхностного натяжения.
Со стороны твёрдого тела на жидкость действует такая же по модулю
сила F1, направленная вверх ( согласно третьему закону Ньютона). Она
и вызывает подъём жидкости в капилляре на такую высоту h, при
которой сила тяжести Fт, действующая на весь поднятый столб
7
жидкости, равна по модулю силе F1, а , следовательно, и силе
поверхностного натяжения F: F=Fт Отсюда 2
=mg. Масса
поднятого столба жидкости равна m=Vg=
, где
жидкости,
Следовательно,
V
-
объём
поднятого
или
столба.
- плотность
2
- формула поднятия жидкости
h=
в капилляре.
Из формулы следует, что 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
значениями
поднятия
(опускания)
поверхностного
натяжения
жидкости.
Таблица
со
веществ
находится
в
Приложении 3.
1.4 Роль капиллярных явлений в природе и технике
Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным
числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят
основные процессы, связанные с питанием и дыханием организма.
Стволы деревьев, ветви 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,
являющаяся источником питания для корня, может быть представлена
как совокупность капиллярных трубочек, по которым, в зависимости от
её структуры и обработки, быстрее или медленнее поднимается к
поверхности вода с растворенными в ней веществами. Уменьшая
диаметр почвенных капилляров путём уплотнения почвы, то есть к зоне
испарения, и этим ускорить высушивание почвы. Наоборот, разрыхляя
8
поверхность почвы и разрушая тем самым систему почвенных
капилляров, можно задержать приток воды к зоне испарения и
замедлить высушивание почвы. Именно на этом основаны известные
агротехнические приёмы регулирования водного режима почвы прикатка и боронование. По капиллярным каналам в стенках зданий
поднимается грунтовая вода (в отсутствии гидроизоляции); по
капиллярам фитиля поднимаются смазочные вещества (фитильная
смазка);
на
явлении
капиллярности
основано
использование
промокательной бумаги и т. д.
В
организме
человека
тоже
есть
много
капилляров,
ведь
кровеносные сосуды – это не что иное, как капилляры, по которым
течет кровь. Причем, чем дальше от сердца идут сосуды, тем тоньше
они становятся. Так общая площадь всех капилляров составляет 3200
см , а площадь аорты 8 см , т.е. площадь капилляров больше
площади аорты в 400 раз. Соответственно скорость кровотока падает от
20 см/с в начале аорты до 0,05 см/с в капилляре. Диаметр каждого
капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а его длина
менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 миллиардов
капилляров. Общая длина капилляров достигает 60000 – 80000 км.
Через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной
мышцы в среднем проходит до 2000 капилляров.
9
II. Практическая часть
1.Определение способности туалетной бумаги, бумажных носовых
платков, бумажных полотенец разных производителей впитывать влагу.
Название
образца
Производитель
Высота
поднятия
жидкости
(см)
Радиус
капилляра
(см)
Качество
впитывания
влаги образцом
Бумажные
платочки
«Ola»
Республика
БеларусьООО «МостраГрупп»
4 см
0,04 см
отлично
Бумажные
платочки
«Zewa»
Россия
ООО "ЭйСиЭй
Хайджин Продактс
Раша", Святогорский
филиал, Ленинградская
область.
3 см
0,05 см
удовлетворительно
Бумажные
платочки
«365 дней»
Россия
ООО «Лента»
Санкт-Петербург
3,5 см
0, 042 см
хорошо
Туалетная
бумага
ООО "КимберлиКларк", Швейцария.
Изготовлена из
целлюлозы. Хорошая
мягкость и белизна.
4,7 см
0,031 см
отлично
Россия ООО "ЭйСиЭй
Хайджин Продактс
Раша", Святогорский
филиал, Ленинградская
область.Изготовлена из
4,5 см
0,033 см
хорошо
« Kleenex»
Туалетная
бумага
«Zewa»
г.
10
макулатуры.
Туалетная
бумага
«Красная
цена»
Россия ОАО
"Кондровская бумажная
компания", Калужская
область,
г.Кондрово.Изготовлена
из целлюлозы.Набитый
на ней мелкий рубчик
создает эффект
"наждачной бумаги".
Слои непрочные,
расслаивается.
2,5 см
0, 06 см
удовлетворительно
Туалетная
бумага
Россия
Республика Татарстан
г.Набережные Челны
ЗАО р «Народное
предприятие
Набережночелнинский
картонно-бумажный
комбинат»
1,7 см
0, 09 см
плохо
Бумажные
полотенца
«Zewa»
ЭйСиЭй Хайджин
Продактс Раша",
Святогорский филиал,
Ленинградская
область.Изготовлена из
макулатуры.
4 см
0,04 см
хорошо
Бумажные
полотенца
«Лилия»
Россия
Ростовская область
г.Новошахтинск
ИП Китайкин А.Б.
1 см
0, 146 см
плохо
Бумажные
полотенца
« Kleenex»
ООО "КимберлиКларк", Швейцария.
4,5 см
0,033 см
отлично
Вывод: из таблицы следует, что лучшим качеством впитывания
11
обладают те образцы, у которых радиус капилляра меньше и как
следствие - выше столбик поднятия жидкости. Вычисления значений h
для каждого случая показаны в Приложении 4.
2.Сравнение способности впитывать влагу махровыми полотенцами с
разной длиной ворса
А). Определение качества впитываемости
тканевых полотенец путем взвешивания
Образец
махрового
полотенца
(гидрофильности)
Длина
ворса
махрового
полотенца
0,2 см
Масса сухого
образца
0,4 см
480 г
533 г
хорошо
0,6 см
500 г
590 г
отлично
460 г
Масса
Качество
образца после
впитывания
погружения в
влаги образцом
воду
удовлетворительно
493 г
Вывод: махровые полотенца с разной длиной ворса впитывает
влагу по-разному: чем длиннее ворс махрового полотенца
образцов, тем лучше у полотенца качество впитывания влаги
(гидрофильности).
Б). Определение качества впитываемости махровых полотенец
путем сравнения зависимости скорости впитывания водыот
плотности образцов:
Образец S образца
h
Плотност
полотенца
(м2)
ворса
ь
(см)
ткани
70*140
3)
(кг/м
см
Скорость
впитывания
(см/с)
Качество
впитывания
влаги образцом
0,98м2
0,2
см
234,7
кг/м3
1,5 см/с
удовлетворительно
0,98м2
0,4
см
0,6
см
122
кг/м3
85
кг/м3
1,8 см/с
хорошо
3 см/с
отлично
0,98м2
Вывод: качество впитываемости(гидрофильности)
махровых
полотенец зависит от плотности образцов: чем меньше плотность
12
махровой ткани, тем быстрее впитывается жидкость этим
полотенцем.
3.Сравнение качества
вафельных полотенец:
гидрофильности
махровых,
льняных
Образец
полотенца
Масса сухого
образца
Масса образца
после
погружения в
воду
махровое
83,4 г
191 г
Масса
воды,
которую
впитал
образец
107,6 г
льняное
57 г
159 г
102 г
хорошо
вафельное
43 г
67 г
24 г
плохо
и
Качество
впитывания влаги
образцом
отлично
Вывод: из вышеизложенного можно сделать вывод, что лучше всего
впитывают махровые полотенца, неплохой гидрофильностью обладают
льняные полотенца, а вафельные полотенца обладают плохой
способностью впитывать жидкость.
4. Тестирование материала, из которого сшита школьная форма в
нашей школе на качество впитывания влаги
Образец
Масса сухого
образца
Масса образца
после
погружения в
воду
13
Масса
воды,
которую
впитал
образец
71г
Качество
впитывания влаги
образцом
плохо
43г
162г
очень плохо
отлично
Вывод: исходя из эксперимента, можно сделать вывод, что отличной
гидрофильностью обладает материал, из которого сшита форма для
детей, обучающихся в кадетских классах, в классах младшей и старшей
ступени ребята при носке формы могут испытывать дискомфорт, т.к.
материал плохо (серая форма) и практически (черная в полоску) не
впитывают.
14
Заключение:
 Получены знания по явлениям смачиваемости и несмачиваемости,
капиллярности;
 Исследовалось практическое применение формулы высоты поднятия
жидкости в капилляре;
 Практическое подтверждение зависимости высоты поднятия жидкости
в капилляре от рода жидкости и радиуса капилляра;
 Определение радиуса капилляра по высоте поднятия жидкости в
образце;
 Экспериментальное определение качества впитывания влаги
различных образцов;
 Получен вывод эксперимента: наилучшее качество впитывания имеет
та продукция, у которой меньше радиус капилляра;
 Протестирован материал, из которого сшита школьная форма в нашей
школе на качество впитывания влаги;
 Исследования используются на уроках физики при изучении темы
«Капиллярные явления», коллекция опытов апробирована на занятиях
кружка в 4 классе «Мир природных явлений» учителя физики
Конновой О.В..
15
Список источников:
1. А.К.Кикоин, И.К. Кикоин, С.Я. Шамаш, Э.Е. Эвенчик. Физика: учебник
для 10 класса шк. (классов) с углубл. Изуч. Физики/ Ф50 - М.: Просвещение,
1992. – 256 с., ил. – ISBN 5-09-004147-4/
2. Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. БончБруевич, А.С. Боровик-Романов и др. Физическая энциклопедия / -М.:
Советская энциклопедия Т. 2. Добротность – Магнитооптика. 1990.730 с., ил.
ISBN 5-85270-061-4 (т.2) ISBN 5-85270-034-7
3. Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. Кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич,
А.С. Боровик-Романов и др. Физический энциклопедический словарь. М., / –
М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с., ил., 2 л. Цв.ил.
4. Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев. Физика: учеб для 10 кл.
сред. Шк. /-3 изд. – М.: Просвещение, 1994. – 240 с.:ил. -ISBN 5-09-004971-8.
5. электронный ресурсhttp://yandex.ru/video/search
6. Фото из личного архива Мелиховой Виктории
16
.
Приложение 1
Рис.1
Рис.2
17
Приложение 2
18
Приложение 3
19
Приложение 4
Название
образца
Высота поднятия жидкости (расчет)
Высота
поднятия
жидкости
(см)
Радиус
капилляра
(см)
4 см
0,04 см
3 см
0,05 см
3,5 см
0, 042 см
4,7 см
0,031 см
4,5 см
0,033 см
2,5 см
0, 06 см
1,7 см
0, 09 см
4 см
0,04 см
, при условии, что поверхностное натяжение жидкости
равно 73*10-3Н/м
Бумажные
платочки
«Ola»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
4*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
4 кг/м2*102м/с2
=0, 000365 м=0,0365см
Бумажные
платочки
«Zewa»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
3*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
3 кг/м2*102м/с2
=0, 000487 м=0,0487см
Бумажные
платочки
«365 дней»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
3,5*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
3,5 кг/м2*102м/с2
=0, 000417 м=0,0417 см
Туалетная
бумага
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
4,7*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
« Kleenex»
=0, 000310 м=0,0310 см
Туалетная
бумага
«Zewa»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
4,5*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
4,7 кг/м2*102м/с2
4,5 кг/м2*102м/с2
=0, 000326 м=0,0326 см
Туалетная
бумага
«Красная
цена»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
2,5*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
Туалетная
бумага
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
1,7*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
2,5 кг/м2*102м/с2
=0, 000584 м=0,0584 см
1,7 кг/м2*102м/с2
=0, 000858 м=0,0858 см
Бумажные
полотенца
«Zewa»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
4*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
4 кг/м2*102м/с2
=0, 000365 м=0,0365см
20
Бумажные
полотенца
«Лилия»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
1*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
1 кг/м2*102м/с2
1 см
0, 146 см
4,5 см
0,033 см
=0, 00146 м=0,146 см
Бумажные
полотенца
« Kleenex»
h=2*73*10-3Н/м=146*10-3 Н/м =
4,5*10-2м*103 кг/м3*10м/с2
4,5кг/м2*10м/с2
=0, 000326 м=0,0326см
21
Приложение 5
Уважаемые производители
ООО «Мостра-Групп»!
От всей души примите поздравления с наступающим 2014 годом!
Хотелось поблагодарить вас за вашу качественную продукцию!
Здоровья, успехов в труде и личного счастья!
В ходе исследования по определению гидрофильности бумажных
носовых платочков разных производителей,
хочу отметить, что продукция, которую вы производите, обладает
высоким качеством по впитыванию влаги.
Спасибо вам за ваш труд!
С уважением, Мелихова Виктория.
ученица 8а класса МОУ СОШ №6 Центрального района г.Волгограда.
22
23