Konkursas Fizikos bandymai aplink mus 2016 Paviriaus temptis
Konkursas "Fizikos bandymai aplink mus 2016" Paviršiaus įtemptis. Paviršiaus įtempties jėga Darbą parengė: LSMU gimnazijos III b klasės mokiniai Laimis Jankus ir Monika Šivickaitė Mokytoja Salomėja Kukauskienė Kaunas, 2016
Turinys Darbo tikslas; Įvadas; Skysčių sandara ir savybės; Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė; Paviršiaus įtempties jėga; Paviršiaus įtempties koeficientas; Bandymas Nr. 1; Bandymas Nr. 2; Bandymas Nr. 3; Uždavinys; Drėkinimas; Kapiliariniai reiškiniai; Tai įdomu; Testas; Naudota literatūra.
Darbo tikslas Supažindinti su skysčių paviršiaus įtempties reiškiniu; Paaiškinti paviršiaus įtempties koeficiento priklausomybę nuo terpių kilmės ir temperatūros; Supažindinti su drėkinimo ir kapiliariniais reiškiniais.
Įvadas Vanduo yra vertingiausias gamtos išteklis, o žmogui jis yra maisto, švaros, sveikatos bei energijos šaltinis. Su juo susiduriame kasdien ir taip prie jo pripratome, jog net nepastebime keistų vandens savybių, o jei ir matome, tai dažnai nežinome, kodėl taip yra. Argi niekada nekilo klausimas, kodėl čiuožikas gali lengvai bėgioti vandens paviršiumi, o kiti vabzdžiai nuskęsta? Kodėl drabužius, indus yra geriau plauti su karštu, o ne šaltu vandeniu? Kodėl rasos lašeliai yra rutulio formos? Ir kt. Kad galėtume atsakyti į šiuos gyvenimiškus ir, atrodo, labai paprastus klausimus pirma išsiaiškinkime, kaip atsiranda paviršiaus įtempties jėga.
Skysčių sandara ir savybės Skysčiuose molekulės išsidėstę arti viena kitos. Todėl skysčiai yra mažai spūdūs. Molekulės gali judėti viena kitos atžvilgiu, nors jos dažniau tik svyruoja. Kai skystis neteka, jo molekulės peršoka iš vienos pusiausvyros padėties į kitą visomis kryptimis vienodai. Veikiamas išorinės jėgos (pavyzdžiui, sunkio), skystis ima tekėti išlaikydamas savo tūrį ir įgydamas indo formą. Toks jis yra dėl to, kad molekulės peršoka iš vienos padėties į kitą jėgos veikimo kryptimi.
Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Skysčio viduje esančią molekulę gretimos molekulės veikia traukos jėgomis, kurios kompensuojasi. Molekulę, kuri yra skysčio paviršiuje, veikia ne tik skysčio, bet ir oro molekulės. Kadangi pastarųjų poveikis jai yra silpnesnis negu gretimų skysčio molekulių, tai ją veikiančių jėgų atstojamoji nelygi nuliui. Ji nukreipta žemyn, į skystį. Molekulinių jėgų veikiamas paviršiaus sluoksnis slegia skystį, sudarydamas molekulinį slėgį.
Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Molekulinis slėgis nepaprastai didelis: vandenyje jis siekia apie 1, 1 GPa. Būtent todėl skysčiai nekeičia tūrio slegiami - jie jau yra suslėgti milžiniško savo paties molekulinio slėgio. Jis veikia tik vidinių skysčio sluoksnių molekules, sudarydamas plėvelės įspūdį. Dėl šios plėvelės vandens paviršiumi gali bėgti čiuožikas ir kiti vandens gyvūnėliai, ant vandens laikosi adata. Molekulinis slėgis sudaro skysčio paviršiaus įtempimą.
Skysčių paviršiaus įtempties jėgų kilmė Kiekviena skysčio paviršiaus sluoksnio molekulė, veikiama molekulinio slėgio, turi potencinės energijos. Žinome, kad kiekviena sistema savaime pereina į tokią būseną, kurioje jos potencinė energija yra mažiausia. Kuo mažesnis paviršiaus plotas, tuo mažesnė jo energija ir stabilesnė būsena. Mažiausias yra rutulio paviršiaus plotas. Todėl skysčio lašai bei rasa turi rutuliukų formą.
Paviršiaus įtempties jėga Jėga, kuri veikia skysčio paviršiaus liestinės kryptimi statmenai linijai, ribojančiai tą paviršių, ir stengiasi sumažinti jį iki minimumo, vadinama paviršiaus įtempties jėga. Paviršiaus įtempimas yra jėga, kuria besistengdamas susitraukti paviršius veikia jį ribojantį kontūrą.
Paviršiaus įtempties koeficientas Paviršiaus įtempties jėgos F, kuri veikia ilgio l paviršiaus kontūrą, modulio ir to ilgio santykis vadinamas paviršiaus įtempties koeficientu ir žymimas raide σ (tariama „sigma“): σ = F/l Jo matavimo vienetas yra niutonas metrui (N/m). Paviršiaus įtempties koeficientas priklauso nuo besiribojančių terpių kilmės ir temperatūros.
Paviršiaus įtempties koeficientas Medžiaga σ, N/m Acetonas 0, 024 Benzinas 0, 029 Gyvsidabris 0, 470 Muilo tirpalas 0, 040 Pienas 0, 046 Vanduo 0, 072 Žibalas 0, 024
Paviršiaus įtempties koeficientas Didėjant temperatūrai paviršiaus įtempio koeficientas σ mažėja, o kritinėje temperatūroje σ = 0 N/m, nes šioje temperatūroje išnyksta skirtumas tarp skysčio ir jo sočiųjų garų, kartu išnyksta ir paviršius, skiriantis abi būsenas. Temperatūrai mažėjant paviršiaus įtemptis didėja. Štai kodėl drabužius, indus yra geriau plauti su karštu, o ne šaltu vandeniu.
Paviršiaus įtempties koeficientas Vandens paviršiaus įtemptis priklauso nuo priemaišų, pavyzdžiui, valgomoji druska arba cukrus paviršiaus įtemptį didina, kitos, pavyzdžiui, alkoholis, muilas, skalbimo priemonės ir kt. medžiagos – mažina. Esant mažesniam vandens paviršiaus įtempiui vanduo lengviau įsiskverbia į mažesnius plyšelius bei tarpelius, tad lengviau sudrėkina medžiagą ir tai leidžia lengviau pašalinti dėmes.
BANDYMAS Nr. 1
Vandens paviršiaus įtemptis Tikslas: Pademonstruoti skysčio paviršiaus įtemptį. Hipotezė: Moneta, kuri bus įmesta į vandenį, nenuskęs dėl vandens paviršiaus įtempties, o vėliau – įpylus indų ploviklio, kuris mažina paviršiaus įtemptį – nuskęs. Priemonės: • Vanduo; • Moneta; • Indelis; • Indų ploviklis. Bandymo eiga ir rezultatai: • Vaizdo medžiaga: https: //youtu. be/sp. ZLs 3 PA 5 j. I Išvados: • Dėl vandens paviršiaus įtempties, moneta, įmesta į vandenį, nenuskendo; • Įpylus į vandenį indų ploviklio, moneta nuskendo, nes jis sumažino vandens paviršiaus įtemptį.
BANDYMAS Nr. 2
Paviršiaus įtempties jėga Tikslas: Suprasti skysčio paviršiaus įtemptį. Hipotezė: Įmerkus rėmelį į muilo tirpalą, žiedo viduje susidarys plėvelė. Joje atsidūręs siūlas bus neįtemptas. Pradūrus plėvelę - siūlas išsitemps. Priemonės: žalvarinė arba aliuminė viela, šilkinis siūlas, plokščias stiklinis indas, pincetas ir muilo tirpalas. Bandymo eiga ir rezultatai: • Vaizdo medžiaga: https: //youtu. be/zi 6 BCa. Oa 40 Q Išvados: Dėl paviršiaus įtempties jėgos siūlas įsitempė.
BANDYMAS Nr. 3
Kūno judėjimas veikiant skirtingam skysčio paviršiaus įtempiui Tikslas: Įrodyti, kad egzistuoja skirtinga paviršiaus įtemptis. Hipotezė: Paveikus išorine jėga (į muilo tirpalą pamirkyta adata) degtukai greitai atsiskirs ir judės į priešingas puses. Priemonės: vanduo, indelis, muilo tirpalas, adata, degtukai, metalinis lankelis arba sąvarželė. Bandymo eiga ir rezultatai: • Vaizdo medžiaga: https: //youtu. be/a. G 8 RXjajqgo Išvados: • Degtukai greitai atsitraukė į priešingas puses, veikiami išorinės jėgos; • Jeigu kūną supa skirtinga paviršiaus įtemptis, kūnas juda į tą pusę, į kurią paviršiaus įtemptis yra didesnė. Dėl šios priežasties degtukai greitai atsiskiria ir juda į skirtingas puses.
Uždavinys
Koks vandens paviršiaus įtempties koeficientas, jei iš 2 mm skersmens pipetės išlašėjo 80 lašų vandens, kurių bendra masė 3, 7 gramo? Sprendimas σ - ?
Drėkinimas Skysčio lašeliai ne visada būna rutulio formos. Kai lašelis susiliečia su kietojo kūno paviršiumi, jo forma pasikeičia. Šis pasikeitimas priklauso nuo medžiagos, iš kurios pagamintas kietasis kūnas. Kai skysčio molekulių sąveikos jėgos yra mažesnės už skysčio ir kietojo kūno molekulių sąveikos jėgas, sakoma, skystis drėkina, kai didesnės – nedrėkina. Drėkinimas yra skysčio laisvojo paviršiaus išlinkimas prie kietojo kūno paviršiaus dėl skysčio ir kietojo kūno molekulių sąveikos. Tas pats skystis vienus kūnus drėkina, o kitų ne. Pavyzdžiui, vanduo drėkina medį ir stiklą, tačiau nedrėkina plastilino, vaško ir parafino.
Drėkinimas
Drėkinimas Geras drėkinimas svarbus dažant paviršius, klijuojant, skalbiant, prausiantis. Jis aktualus ir kosmetikoje, nes įvairūs kremai bei losjonai turi gerai drėkinti veido odą. Drėkinimo reiškiniu pagrįstas naudingųjų iškasenų sodrinimo būdas, vadinamas flotacija. Nedrėkinimo reiškiniu pagrįsta hidroizoliacinių medžiagų gamyba. Iš tokių medžiagų gaminami skėčiai, siuvami lietpalčiai, striukės. Jos taip pat naudojamos statybose.
Papildomas slėgis (Laplaso slėgis)
Kapiliariniai reiškiniai
Kapiliariniai reiškiniai Kapiliarinius reiškinius kasdien stebime gamtoje, technikoje ir buityje. Po visą žmogaus ir gyvūnų organizmą tankiai išsišakojusiais kapiliarais nuolat cirkuliuoja kraujas ir maisto medžiagos. Dėl kapiliarinių reiškinių vanduo iš dirvožemio per šaknis ir kamieną pakyla į medžių lapus. Kapiliarų yra ir statybinėse medžiagose: betone, plytose ir kt. Kapiliarinė struktūra taip pat būdinga sugeriamam popieriui, kempinėms, rankšluosčiams ir kt.
Tai įdomu!
Vandens lašelis tarsi ant delno Filmuotoje medžiagoje vaizduojamas bandymas, kurio metu vandenis lašelis dėl paviršiaus įtempties bus aiškiai matomas ant vandens, tarsi ant lygaus, kieto paviršiaus. Vaizdo medžiaga: https: //www. youtube. com/watch? v=ynk 4 v. Ja-Va. Q
Povandeninis filmavimas kosmose KS įgulos nariai Steve Swanson, Reid Wiseman ir Alexander Gerst eksperimentą su vandeniu ir kamera atliko 2014 metų vasarą, 40 osios ekspedicijos darbo metu. Vaizdo medžiaga: https: //www. youtube. com/watch? v=9 ZEd. Apyi 9 Vw https: //www. youtube. com/watch? v=bx. E 09 URykdg
Vandens burbulas kosmose Ore kybantis vandens burbulas pasirinktas todėl, kad Tarptautinės kosminės stoties astronautai galėtų ištirti vandens paviršiaus tempimo fenomeną mikrogravitacijoje. Vaizdo medžiaga: https: //www. youtube. com/watch? v=b. Kk_7 NIKY 3 Y
Driežas, kuris geba bėgti vandeniu Tikriausiai ne vienas iš mūsų esame matę driežą, tačiau ar matėte jį bėgantį vandeniu? Dažniausiai kyla klausimas: kaip jie tai geba padaryti? Visa paslaptis tame, kad jie bėga taip greitai, jog jų kojoms atsimušus į vandenį atsiranda burbulas, nuo kurio jie atsispiria prieš jam subliūkštant. Vaizdo medžiaga: https: //youtu. be/s. Ivj. Zt 0991 g
Robotas – vandens čiuožikas Šiuolaikinių robotų kūrėjai dažnai sau kelia užduotį sukurti aparatus, nenusileidžiančius savo tikriesiems analogams – vabzdžiams, žuvims ir kt. , kurie naudojami kaip prototipai. Vienas iš paskutinių tokių darbų yra meniškas vandens čiuožiko, kuris vandens paviršiuje gali keisti padėtį, modelis. Vaizdo medžiaga: https: //www. youtube. com/watch? v=756 Tk 9 y 0 a. Ng
Skysčio paviršiaus įtempties matavimas urotensiometru Vaizdo medžiaga: https: //www. youtube. com/watch? v=Ml 99 i 17 z. Mn. A#t=12
TESTAS
1. Į popierinę dėžutę įpylus vandens jos sienelės įlinks į vidų. Kodėl? A. Dėžutės sienelės įlinks dėl paviršiaus įtempties jėgų poveikio. B. Skysčių sudėtyje yra specialiųjų medžiagų, kurios įtempia dėžutės sieneles. C. Skystis yra tankesnis.
2. Iš čiaupo laša vanduo. Ar vandens lašų masė priklauso nuo temperatūros? Kodėl? A. Vandens lašų masė priklauso nuo temperatūros. Didėjant temperatūrai didėja įtempimo koeficientas, taip pat ir masė. B. Vandens lašų masė nepriklauso nuo temperatūros. C. Vandens lašų masė priklauso nuo temperatūros. Didėjant temperatūrai mažėja įtempimo koeficientas, taip pat ir masė.
3. Ar muilo burbulo paviršiuje yra sritis, kurioje burbulo plyšimas labiausiai tikėtinas? A. Muilo burbulo paviršiuje nėra srities, kurioje burbulo plyšimas yra labiausiai tikėtinas. B. Dėl sunkio jėgos tirpalas teka į apatinę burbulo dalį, o viršutinėje jo lieka mažai, todėl viršutinė burbulo sritis yra silpniausia. C. Dėl sunkio jėgos tirpalas teka į apatinę burbulo dalį, o viršutinėje jo lieka mažai, todėl apatinė burbulo sritis yra silpniausia.
4. Jei ligoniui paskirti lašai bus lašinami prikūrentoje patalpoje, lašų skaičių reikės padidinti ar sumažinti? A. Pakilus temperatūrai lašo masė bus didesnė ir lašų skaičių teks sumažinti. B. Pakilus temperatūrai paviršiaus įtempties koeficientas sumažėja, todėl prikūrentoje patalpoje lašo masė bus mažesnė ir lašų skaičių teks padidinti. C. Temperatūros padidėjimas neturi įtakos lašo masei, todėl lašų skaičius nepakis.
5. Kaip skysčio pakilimo aukštis priklauso nuo kapiliaro skersmens? A. Pakilimo aukštis yra tiesiogiai proporcingas kapiliaro skersmeniui. B. Skysčio pakilimo aukštis nuo kapiliaro skersmens nepriklauso. C. Pakilimo aukštis yra atvirkščiai proporcingas kapiliaro skersmeniui.
6. Kokios formos yra rūką sudarantys lašeliai? Kodėl? A. Rūką sudarantys lašeliai yra rutulio formos, nes tokio lašo paviršiaus energija yra mažiausia. B. Rūką sudarantys lašeliai yra rutulio formos, nes tokio lašo paviršiaus energija yra didžiausia. C. Rūką sudarantys lašeliai neturi formos.
7. Paaiškinkite, kaip sugeria skysčius merlinis tvarstis, sugeriamasis popierius? A. Sugeriamasis popierius skysčius sugeria dėl sunkio jėgos poveikio. B. Drėkinantis skystis įtraukiamas į kapiliarus – audėklo ir popieriaus poras. C. Merlinis tvarstis skysčius sugeria dėl sunkio jėgos poveikio.
8. Kodėl paveikus vandenį indų plovikliu, ji nuskęsta? A. Pakito monetos svoris. B. Indų ploviklis pažeidė plėvelės įspūdį. C. Tinka abu variantai.
9. Mažas rutuliukas įgyja lašelio formą dėl paviršiaus įtempties jėgos. Kaip tokią formą įgytų didelis skysčio kiekis? A. Veikiamas didelio greičio. B. Krisdamas ore. C. Būdamas erdvėlaivyje, nesvarus.
10. Kiek kartų pakis kapiliare skysčio pakilimo aukštis, jei sistemą su kapiliaru pastatysime lifte, kylančiame su pagreičiu a = 0, 5 g? A. h 1/h 2 =1. B. h 2/h 1 = 1, 5. C. h 1/h 2 =1, 5.
Naudota literatūra Palmira Pečiuliauskienė. Fizika. Išplėstinis kursas. Vadovėlis XI klasei. Antroji knyga. Aldona Kairienė ir Elvyra Kalinkevičienė. Kokybiniai fizikos uždaviniai XI – XII klasei. www. google. lt www. youtube. com
Ačiū už dėmesį!
- Slides: 47