Проектная работа по физике тема «Влияние качества воды на свойства мыльных пузырей»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение  Кадуйского муниципального района  «Кадуйская средняя школа» Конференция «Первые шаги в науку» «Влияние качества воды на свойства  мыльных пузырей» Выполнила: Здешиц Юлия Дмитриевна, учащаяся  8 в  класса Руководитель: Андрух Н.В.., учитель физики п. Кадуй, 2018 год Содержание 1.Вступление…………………………………………………………….3 2. Глава I .  Мыльные пузыри ………………………………………….4     1.1 Что такое мыльный пузырь?.........................................................4     1.2  Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?........................5     1.3  Толщина плёнки мыльного пузыря…………………………….5     1.4  Оптика мыльного пузыря……………………………………….5     1.5  Для чего нужны мыльные пузыри?.......................................... ..8 3. Глава II . Экспериментальное исследование мыльных пузырей….9        Исследование  Определение времени жизни         мыльного пузыря. ………………………………………………… 9 4. Заключение………………………………………………………….10 5. Используемая литература…………………………………………..10 6. Приложение…………………………………………………………11 2 1. Вступление. День рождения мыльного пузыря и по сей день остаётся загадкой. Но доподлинно известно, что   при   раскопках   древней   Помпеи   археологи   обнаружили   необычные   фрески   с изображением юных помпейцев выдувающих мыльные пузыри. Видимо, у них были свои секреты производства мыла.  В   Средних   веках   изображение   ангела,   пускающего   пузыри,   помещали   на   надгробья   и добавляли надпись: «От этого никто не уйдёт». Этим, по­видимому, хотели сказать, что жизнь хрупка, как мыльный пузырь. В 19 веке выпускали открытки с изображением мальчика пускающего пузыри. Мыльные   пузыри   были   не   только   детской   забавой,   но   и   объектом   для   размышлений философов о смысле жизни. Не просто красивым явлением природы, но и интересовали серьёзных   учёных.   Чарльз   Бойс   сто   лет   назад   опубликовал   фундаментальный   труд «Мыльные пузыри», который по сей день является как детской забавной книжкой, так и настольным пособием для физиков­теоретиков и экспериментаторов. Таким   образом,   мыльные   пузыри   радовали   детей   и   взрослых   ещё   во   времена   древней Помпеи. Интересовали философов, художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке.  В   7   классе   по   физике   я     познакомилась   с   явлениями     смачивание,   поверхностное натяжение.   Как   о   примере     поверхностного   натяжения   наш   учитель   физики,     Наталья Васильевна, рассказала о мыльных пузырях.  Меня  эта тема заинтересовала,  и я  решила больше узнать о мыльных пузырях. В различной литературе, в Интернете я  стала находить материал  о  мыльных пузырях. Так родилась идея о данной работе. Цель  работы: Выяснить,  как влияет качество воды на свойства мыльных пузырей. Задачи работы: 1.Изучить  материал по данной теме. 2. Приготовить мыльные растворы на основе воды с разными качествами. 3.Определить время жизни мыльных пузырей. Методы работы. Анализ литературы Наблюдение за мыльными пузырями из различных растворов Эксперимент 3 Объект исследования. Мыльные пузыри как физическое явление. Предмет исследования. Свойства мыльных пузырей, влияние на них качества воды. Гипотеза.      На свойства мыльных пузырей влияют состав мыльного раствора и качество воды, на основе которой приготовлен мыльный раствор. Новизна работы заключается в следующем: мною впервые была изучена литература по данной теме, были поставлены опыты и проведен сравнительный анализ результатов. 2. Глава I . Мыльные пузыри 1.1 Что такое мыльный пузырь? Мыльный пузырь — тонкая пленка мыльной воды, которая формирует шар с переливчатой поверхностью.(Приложение, рис.1) Пленка пузыря состоит из тонкого слоя воды, заключенного между двумя слоями молекул, чаще всего мыла. (Приложение, рис.2) Эти слои состоят из достаточно сложных молекул ­ русалок ­ одна часть которых, является гидрофильной   (любит   контактировать   с   водой),   а   другая   гидрофобной   (избегают подобного контакта, «боятся» воды). (Приложение, рис.3). Гидрофильная часть представляет собой разделённые электрические заряды, обладающие дипольным моментом. Она привлекается тонким слоем воды. В то время как гидрофобная –   представляющая   собой   «хвост»   из   углеродной   цепочки   длиной   2,5   нм,   наоборот, выталкивается. В результате образуются слои, защищающие воду от быстрого испарения, а также уменьшающие поверхностное натяжение. Однако,   пузырь,   сделанный   только   из   воды,   нестабилен   и  быстро   лопается.   Для  того чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно­активные вещества, например, мыло и глицерин.  Прямыми измерениями было установлено, что поверхностное натяжение воды понижается в два с половиной раза: от 7*10­2 до 3*10­2 Дж/м2.   Когда   мыльная   пленка   растягивается,   из   её   объёма   на   поверхность   будут   выходить оставшиеся   молекулы   мыла,   достраивая   частокол.   Таким   образом,   мыло   избирательно усиливает   слабые   участки   пузыря,   не   давая   им   растягиваться   дальше.   Когда   же   все молекулы   поверхностно   активного   вещества   выйдут   из   объёма   плёнки,   её   дальнейшее растяжение приведёт к разрушению пузыря. 1.2Почему мыльный пузырь имеет форму сферы?                    Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды)  имеет некоторое поверхностное натяжение. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что  упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (то есть от того, как пленка  деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности  жидкости. (Приложение, рис.4). Коэффициент   поверхностного   натяжения     может   быть   определен   как   модуль   силы поверхностного   натяжения,   действующей   на   единицу   длины   линии,   ограничивающей поверхность.  σ 4  Fн L 2      π   Из­за  действия   сил   поверхностного   натяжения   в   каплях   жидкости   и   внутри   мыльных пузырей возникает избыточное давление Δp.  Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них   должна   находиться   в   равновесии   под   действием   сил   поверхностного   натяжения, приложенных   к   границе   2 R   разреза,   и   сил   избыточного   давления,   действующих   на площадь  Rπ 2 сечения. (Приложение, рис.5) Так как пленка мыльного пузыря имеет две поверхности, то избыточное давление внутри него в два раза больше,: 4 p R Условие равновесия для мыльных пузырей записывается в виде:  4σ πR = ΔpπR2 С поверхностью жидкости связана свободная энергия Е где  σ —   коэффициент   поверхностного   натяжения,  S —   полная   площадь   поверхности жидкости.  Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности.   Наименьшую   площадь   поверхности   при   данном   объеме   имеет   сфера, следовательно, силы натяжения формируют сферу. 1.3Толщина плёнки мыльного пузыря. Немногие знают, что плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей,   какие   доступны   невооружённому   зрению.   «Тонкий,   как   волос»,   «тонкий,   как папиросная бумага» ­ означают огромную толщину рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги. 1.4 Оптика мыльного пузыря.  S Горит, как хвост павлиний.  Каких цветов в нем нет!  Лиловый, красный, синий,  Зеленый, желтый цвет.                                            С. Я. Маршак «Мыльные пузыри» Взлетает шар надутый,  Прозрачнее стекла.  Внутри его как будто  Сверкают зеркала.  Физика  XVIII   века передала  XIX  веку по наследству противоречивые представления о природе света. К Ньютону восходили представления о «корпускулярном»  свете – потоке гипотетических частиц – корпускул. (Приложение, рис.6) К  Гримальди,  Гуку и Гюйгенсу восходили представления о волновой природе света.  В   это   время   жил   один   из   величайших   физиков   Томас   Юнг,   который   своими исследованиями   обосновал   волновые   представления   о   свете   и,   в   частности,   о   природе явлений   интерференции,   о   цветах   тонких   плёнок.   Французский   физик   Доменик   Араго писал о     Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми   яркими   и   лёгкими   пузырями   мыльной   пены,   которые,   едва   вырвавшись   из трубочки, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха». 5 Удивительно ­ пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом,   расцвечивается   всеми   цветами   радуги.   Посмотрим,   почему   это   происходит. (Приложение, рис.7) Окраска мыльных пузырей или тонких пленок бензина на поверхности воды объясняется интерференцией волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. Ход лучей в тонких пленках изображен на  рисунке.  Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих  световых колебаний в различных   точках   пространства.   Когерентных   волны   –   волны,   имеющие   одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз. Объясним цветовую окраску интерференционных полос. Разность хода лучей, отраженных  от  разных  граней   пленки,   зависит   от  ее   толщины.   При   определенной   толщине   условие максимума   выполнится   для   какой­то   длины   волны   (λ),   и   пленка   в   отраженном   свете приобретет окраску. Следовательно, при выполнении  Условия максимума:  если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн  Δd = k λ , k =0,1,2,3,… ­ волны усилят друг друга, Δd – разность хода лучей    Условия минимума:  если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечётному числу полуволн  Δd =(2k+1) λ/2 , k =0,1,2,3,… ­волны погасят друг друга. (Приложение, рис.8). Мы   выяснили,   как   появляется   окраска   мыльных   пузырей,   но   почему,   же   одни   имеют радужную окраску, а другие – нет?  Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из­за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска. Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о чёрных полосках и пятнах в его окраске. Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте. Если толщина плёнки очень мала по сравнению с длиной волны, то лучи будут гасить друг друга. А это означает, что возникает чёрная окраска плёнки. Итак, мыльные пузыри приобретают радужную окрасу благодаря явлению интерференции световых волн отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки. 1.5 Для чего нужны мыльные пузыри? Ранее   рассмотренный   механизм   строения   мыльных   пузырей   позволяет   понять   процесс удаления   грязи   с   помощью   мыльной   воды.   Гидрофильная   часть   моющего   вещества взаимодействует  с водой, проникает в воду и увлекает с собой частицу загрязняющего вещества, присоединенную к гидрофобному концу.  В метеорологии и аэронавтике прототип мыльного пузыря — аэростат (воздушный шар) — используется  для разведки погоды и увлекательных воздушных путешествий. В оболочке мыльного пузыря находится горячий воздух, который (как известно) обладает меньшей плотностью, чем холодный и собственно, поэтому пузырь способен подниматься вверх. По такому же принципу взлетает в небо аэростат. Мыльная плёнка, натянутая на каркасы, может принимать самый невероятный, казалось бы, вид. Этим свойством широко пользуются архитекторы и конструкторы. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна, т.к. это соответствует минимуму поверхностной 6 энергии. При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется   с   помощью   мыльных   пленок,   которые   формируются   на   этих   рамках. Архитекторы   и   конструкторы   знают,   что   натянувшаяся   плёнка   подскажет   им   самую экономичную и устойчивую конструкцию покрытия при минимальном расходе материала. В   горной   промышленности   с   помощью   пузырьков,   но   воздушных,   проводят   флотацию: процесс   обогащения   горных   руд.   Пузырьки   в   растворе   обволакивают   частички   руды   и поднимают её на поверхность, а пустая порода остаётся на дне.  Живые клетки тоже в некоторых процессах сродни мыльным пузырям (палочки и колбочки в   сетчатке   глаза   упакованы   по   принципу   уменьшения   площади   поверхности;   процесс заморозки   биологических   мембран   происходит   также,   как   замораживание   мыльного пузыря). Исследователи   из   Центра   радиоволн   и   молекулярной   оптики   (Centre   de   Physique Moleculaire   Optique   et   Hertzienne,)   в Бордо   (Франция)   обнаружили,   что   вихри, определенным   образом   созданные   в мыльных   пузырях,   ведут   себя   аналогично   более масштабным атмосферным явлениям, таким как циклоны и ураганы. Мыльные пузыри дали возможность промоделировать факторы, управляющие траекторией поведения ураганов. Мыльные пузыри — идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет, так как по своим физическим параметрам отношение толщины мыльной пленки к диаметру  пузыря  эквивалентно  отношению  толщины  атмосферы   к диаметру   планеты. Постановка   эксперимента   французских   ученых   очень   простая.   Половина   мыльного пузыря, находящегося при комнатной температуре 17°C, с радиусом в разных вариациях эксперимента от 8 до 10 см, нагревалась с помощью специального колечка, охватывающего экватор пузыря. Тепло конвективным образом распространялось от экватора к полюсам, создавая градиент (разность) температур ΔT. Облучая изучаемый объект белым светом, исследователи   наблюдали   интерференционную   картину,   из которой   видно,   что   при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону ­ это видно на рисунке. (Приложение, рис.9).  Также мыльные пузыри используются в нефтеперерабатывающей промышленности. Чтобы превратить   нефть   в   различные   материалы,   необходимые   человечеству,   ее   приходится перерабатывать.   Для   эффективной   переработки   нефти   российские   ученые   предлагают использовать   мицеллы   ­   по   сути,   мыльные   пузыри.   Эти   и   другие   исследования   ПАВ поддерживаются   российскими   и   международными   грантами.   Ученые   московского Института химической физики РАН одни из первых выяснили, что если в уже очищенную нефть   добавить   воды   и   поверхностно­активные   вещества,   то   в   нефти   образуются стабильные "мыльные пузыри", наполненные водой. (Приложение, рис.10). Оказалось, что в этих   пузырьках,   которые   ученые   назвали   "мицеллами",   могут   происходить   различные химические реакции. Ученые сконструировали такие "микрореакторы" для окислительной переработки   углеводородного   сырья.   Так   называемое   жидкофазное   окисление углеводородов позволяет превратить нефть в органические кислоты, эфиры, мономеры. Именно из этих веществ потом получают полимеры, красители, лекарства и многое другое.   И, наконец, даже когда пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая  лопающиеся пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации ­ образовании в  капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых  кавитационных пузырьков, или каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или  трубопровод.  Вот ведь, оказывается, какой он удивительный, простой пузырь, и сколько принёс людям пользы! 7 3. Глава II . Экспериментальное исследование мыльных пузырей.      Исследование  Определение времени жизни мыльного пузыря.         Оборудование:  Стаканы, сосуды с водой (обычной из ­ под крана, талой и кипячёной), глицерин,   моющее   средство,   хозяйственное   мыло   ,     шампунь   ,   стеклянные   трубочки. (Приложение, рис.11).      Цель: Определить  время жизни мыльного пузыря.          Гипотеза:    На время жизни мыльного пузыря влияет состав   мыльного раствора и качество воды, на основе которой сделан мыльный пузырь.        Условия: В опыте взяты объём воды по 150 мл, объём моющего средства и шампуни 10мл, масса мыла 10 г , глицерин  10мл. Температура воды 20 0С.  Моющее средство , хозяйственное мыло, шампунь   были разведены в трёх видах воды: талой, кипячёной, обычной из ­ под  крана. Ещё в  три  стакана с этими видами воды был добавлен глицерин. Получилось каждого средства по шесть стаканов с глицерином и без него. (Приложение, рис. 12). Всего ­ 18 стаканов.    Выдувая   мыльные   пузыри   из   каждого   стакана,   мы   следили   за   длительностью   жизни пузырей. Результаты отразили в таблице. Таблица . Результаты  определения времени жизни мыльных пузырей. Кипячёная вода С глицерином 5,35 с 5,02 с 4,18 с Без глицерина 3,81  с 4,12 с 3,22 с Талая вода С глицерином 4,92 с 3,42 с 3,45 с Без глицерина  2,72 с 3,24 с 3,05 с и н з и ж     я м е р В Обычная вода С  глицерином 6,25 с 2,23 с 3,98 с Без глицерина  6,20 с 2,20 с 2,79 с Мыло Шампунь Моющее средство Эксперимент для получения более точных данных проводились  по пять раз, в таблицу внесены средние значения времени жизни мыльных пузырей. Выводы: 1. Обнаружили, что время жизни  мыльных пузырей зависит  от состава мыльного раствора и качество воды, на основе которой сделан мыльный пузырь. 2.  Большее время жизни у мыльных пузырей, полученных на основе мыла. 3. Большее время жизни у мыльных пузырей, полученных на основе обычной воды. 4. Большее время жизни у мыльных пузырей, полученных при добавлении глицерина. 5. Время жизни малых по диаметру пузырей больше чем больших.   4. Работа по данной теме позволила мне узнать много интересного о   мыльных пузырях. Я узнала, что их используют в различных областях науки. Узнала: ­ что время жизни   мыльных пузырей зависит от состава мыльного раствора и качества воды, на основе которой сделан мыльный пузырь; ­ что  большее время жизни у мыльных пузырей, полученных на основе мыла;  Заключение. 8 ­что большее время жизни у мыльных пузырей, полученных на основе  обычной воды; ­ что большее время жизни у мыльных пузырей, полученных при добавлении глицерина; ­ что время жизни малых по диаметру пузырей больше чем больших. Анализируя     результаты   опытов,     я   узнала,   что   на     значение   силы   поверхностного натяжения, а так же на коэффициент поверхностного натяжения  качество воды влияет не значительно.   Благодаря   данной   работе   узнала   о   строении   мыльного   пузыря,   узнала   о   явлении интерференции   и   научилась   её   наблюдать.  Время   наблюдения   явлений   интерференции, преломления и отражения света зависит от времени жизни пузыря. В настоящее время мыльные пузыри становятся модными объектами. Из веселой игрушки для детей они превращаются в элемент технологии праздника.   Мы   имеем   дело   с   интереснейшим   физическим   объектом,   изучая   свойства которого мы можем не только развлекаться, но и понимать глубже, как устроен мир, в котором мы живем.   В мыльном пузыре, в его недолговечной и воздушной природе, сокрыто ещё множество тайн. 5. 1. 2. 3. 4.  Список литературы Блинов Л. Молекулы­русалки “Наука и жизнь”, №4,1989 Гегузин Я.Е. Пузыри ­ М.: Наука, 1985. “Известия науки”, портал http://www.inauka.ru ,редакция газеты "Известия", 2002  Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б. «Физика 11» 6.Приложение. Рис.1       9 Рис.2 Рис.3 10 Рис.4 Рис.5 11 Рис.6 Рис.7 Рис.8 12 Рис.9 Рис.10 13 Рис.11 14 Рис.12 15