Поверхностное натяжение жидкостей и капиллярные явления
Уроки 34–35 · 2 урока · П. Хабибуллаев, А. Бойдедаев, А. Бахромов, К. Суяров, Ж. Усаров, М. Юлдашева. Физика, 9 класс, переработанное и дополненное 3-е издание. Творческий дом издательства-типографии имени Гафура Гуляма, Ташкент, 2019
34
Свойства жидкостей
Учебник: с. 94–96
ЦельЗнать свойства жидкостей; силу поверхностного натяжения F = σl, коэффициент поверхностного натяжения σ и поверхностную энергию W = σS и пользоваться ими.
Жидкость сохраняет объём, но не форму: она текуча и принимает форму сосуда. На молекулу внутри жидкости действуют силы со всех сторон, и они уравновешиваются; на молекулу на поверхности действуют только снизу и с боков, поэтому её втягивает внутрь жидкости. Поэтому поверхность растянута, и вдоль линии, ограничивающей поверхность, действует сила поверхностного натяжения F = σ·l; σ — коэффициент поверхностного натяжения, σ = F/l, единица — Н/м (при 20 °C у воды 0,073 Н/м, у мыльного раствора 0,04, у спирта 0,022 Н/м). Сила поверхностного натяжения стремится сделать поверхность как можно меньше, поэтому свободная капля и дождевая капля имеют форму шара. Избыточная потенциальная энергия молекул поверхности — это поверхностная энергия W = σS, поэтому σ можно измерять и в Дж/м². Когда капля отрывается от пипетки, её вес mg равен силе поверхностного натяжения: mg = σ·l (l = πd).
Примеры
Тонкое проволочное кольцо диаметром 3 см отрывают от поверхности воды. Поверхностная плёнка прилипает к кольцу вдоль двух линий (внутренней и внешней), поэтому F = 2σπd = 2·0,073·3,14·0,03 ≈ 1,4·10⁻² Н. Эта сила нужна дополнительно к весу кольца, чтобы оторвать его.
Если поверхность воды увеличивается на 20 см², поверхностная энергия возрастает на ΔW = σΔS = 0,073·20·10⁻⁴ = 1,46·10⁻⁴ Дж ≈ 1,5·10⁻⁴ Дж.
Работа в классе
Наблюдение (со взрослым): осторожно положите на воду небольшую бумажную фигурку или лёгкую металлическую шайбу, затем коснитесь воды рядом с ней палочкой, смоченной в мыльном растворе. Что происходит, когда поверхностное натяжение изменяется? Опыты с иглой проводятся со взрослым; никогда не берите острые предметы одни. Вместо иглы можно использовать пластилиновый шарик.
Упражнения
1
Почему поверхность жидкости находится под натяжением?
Молекулы поверхности втягиваются внутрь жидкости, поэтому поверхность стремится сократиться.
2
Оцените массу капли воды, отрывающейся от пипетки с внутренним диаметром 1,5 мм (σ = 0,073 Н/м, g = 10 м/с², π ≈ 3,14).
m = σπd/g = 0,073·3,14·0,0015/10 ≈ 3,4·10⁻⁵ кг
3
Назовите две единицы σ и объясните, как они связаны.
Н/м и Дж/м²: 1 Дж = 1 Н·м, поэтому Дж/м² = Н/м.
4
Почему дождевая капля и капля воды в космическом корабле имеют форму шара?
Поверхностное натяжение стремится минимизировать поверхность, а шар имеет наименьшую поверхность при данном объёме.