13. Оформление работы.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 5 им. А. К. Ерохина г. Томска.
Томская область, г. Томск, ул. Октябрьская 16
Тел./факс 8 (3822) 65-31-64, E-mail: school5@mail.tomsknet.ru
Волшебство страны
радужных сфер
Выполнили:
ученицы 11 класса
Кухаренко Наталья Евгеньевна
Текаева Алина Арслановна
Руководитель:
Ревера Светлана Агафоновна
Томск 2015
1
Оглавление
Историческая страница .................................................................................................... 3
Цель и задачи проекта ...................................................................................................... 4
Определение ...................................................................................................................... 5
Интерференция света ....................................................................................................... 7
Опыт Томаса Юнга ........................................................................................................... 8
Практическая часть .......................................................................................................... 9
Поверхностное натяжение ............................................................................................. 10
Вывод ............................................................................................................................... 14
Литература ...................................................................................................................... 15
2
Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него:
вы можете заниматься всю жизнь его изучением,
не переставая извлекать из него уроки физики.
Уильям Томсон (лорд Кельвин).
Историческая страница
История мыльных пузырей уводит нас в далекое прошлое на тысячи лет назад. Во
время археологических работ в древнеримском городе Помпеи были найдены
настенные рисунки с детьми, которые надувают пузыри. А в Китае сохранились
старинные изображения на бумаге, где люди через палочки надувают шарики.
Идея надувания пузырей из мыльного раствора напрямую связана с изобретением
мыла. Кто именно придумал надувать пузыри из пенной жидкости, оставшейся
после стирки, неизвестно. Зато досконально известен тот факт, что одна
английская компания в Лондоне во второй половине 19-го века начала
производство жидкости для получения мыльных пузырей.
Еще на картинах фламандских художников XVII века часто встречались
изображения детей, выдувающих мыльные пузыри через глиняную соломинку. В
XVIII и XIX веках дети выдували мыльные пузыри, используя мыльную воду,
оставшуюся после стирки.
Пузыри как феномен природы существовали всегда, но они не могли возникнуть
раньше мыла. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, что обыкновенное мыло
- это одно из самых древних изобретений человечества? Идея надувания пузырей
из мыльного раствора напрямую связана с изобретением мыла. Люди еще не
придумали ни ложек, ни вилок, им не были известны ни пуговицы, ни часы, ни
оконные стекла, а мыло уже существовало. И этому открытию никак не меньше 5
тысяч лет. Рецепты получения этого первого в истории моющего средства
находили археологи в древних египетских папирусах. А знаменитый римский
ученый и историк Плиний Старший, живший в I веке н. э. в своей "Естественной
истории" утверждал, что изобретению мыла мы обязаны ни кому иному, как врагам
Рима, варварам (галлам и древним германцам). Кто же из перечисленных народов
настоящий
автор
мыла,
сказать
трудно.
Самая известная теория, объясняющая появление мыла, довольно убедительно
доказывает, что это средство возникло случайно, как и большинство изобретений
древности. Дело в том, что представители древних племен в торжественных
случаях умащивали себя жиром, а в скорбные минуты посыпали головы пеплом. А
мыло, собственно, и представляет собой смесь жиров и щелочных солей. Так вот!
Скорее всего, наблюдательные предки в один прекрасный день заметили, что после
дождичка их выпачканные жиром и золой волосы становятся вдруг мягкими и
шелковистыми. Им, разумеется, это понравилось
3
Мыльный пузырь — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная
воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Всех, конечно,
восхищают и завораживают переливы много цветия сферы. А чем же это
объясняется?
Актуальность нашего исследования в том, что литературы по данной теме много,
но практического материала недостаточно. А для изучения раздела «Оптика» в
школьном курсе физики этот материал нужен.
Проблема исследования связана с тем, что мыльные пузыри знакомы каждому с
детства, но объяснить его природу могут далеко не все. Почему он разноцветный и
круглый? Как его сделать долгоживущим и удержать на морозе?
Мы выдвигаем гипотезу, которая заключается в том, что мыльные пузыри можно
сделать в непривычной форме – прямоугольного параллелепипеда, создать пузырь
при низкой температуре и выдуть «долгоживущие» пузыри.
Для решения возникшей проблемы мы провели ряд экспериментов, а целью их
было изучение физической природы мыльного пузыря.
Задачи:
1)Исследовать явление интерференции на тонких пленках.
2)Исследовать поверхностное натяжения в жидкостях.
3)Создать мыльные пузыри другой формы.
4)Получить мыльные пузыри при низкой температуре и сделать «долгоживущие»
пузыри.
Этапы нашего исследования были следующие:
1. Выбор темы исследования.
2. Определение объекта и предмета исследования.
3. Определение цели и задач.
4. Формулировка названия работы.
5. Разработка гипотезы.
6. Составление плана исследования.
7. Работа с литературой.
8. Выбор методов исследования.
9. Организация условий проведения исследования.
10. Проведение исследования (сбор материала).
11. Обработка результатов исследования.
12. Формулирование выводов.
13. Оформление работы.
В рамках исследования мы использовали рациональный подход, основанный на
наблюдении и эксперименте. Также мы использовали метод анализа научнометодической литературы.
4
Определение
Мыльный пузырь — тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная
воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Мыльные пузыри
обычно существуют лишь несколько секунд и лопаются при прикосновении или
самопроизвольно. Их часто используют в своих играх дети.
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.
5
Практическая часть
Для получения наиболее «качественных» мыльных пузырей из различных рецептов
мы выбрали следующий:
-глицерин 25 г,
-сахар 2 ч.л.
-жидкость для мытья посуды 2 ст.л.
-вода 150 г.
Получение сферической формы мы добились сразу, используя разные насадки, а
для получения формы прямоугольного параллепипеда пришлось пересмотреть
несколько видеосюжетов. Но результат был получен. Главным было не
взбалтывать раствор.
Мы также помещали один пузырь внутрь другого и наблюдали как при этом
менялись цвета.
В процессе выполнения проекта мы обратили внимание, что если ловить пузыри
сухими руками, то они лопаются, а если влажными, то нет. И объяснение этому мы
нашли в характеристике - поверхностное натяжение.
Следующим этапом проекта при понижении температуры на улице будет создание
твёрдых мыльных пузырей.
6
Интерференция света
Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.
Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн,
вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих
световых колебаний в различных точках пространства.
Условия интерференции
Волны должны быть когерентны (согласованы). В простейшем случае
когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует
постоянная разность фаз.
Явление интерференции наблюдается:
- на поверхности жидкости при разливе нефти, бензина, керосина;
- на крыльях насекомых;
- на пленках оскидов на металлах;
- на мыльной пленке.
7
Опыт Томаса Юнга
Томас Юнг впервые пронаблюдал (1802 г.) явление интерференции, разделив
волну на две с помощью двойной щели. Свет от точечного монохроматического
источника S падал на два небольших отверстия на экране. Эти отверстия
действуют как два когерентных источника света S1 и S2. Волны от них
интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ1 и ℓ2. На экране
наблюдается чередование светлых и темных полос.
Интерференционные полосы равного наклона.
При освещении тонкой пленки происходит наложение волн от одного и того же
источника, отразившихся от передней и задней поверхностей пленки. При этом
может возникнуть интерференция света. Если свет белый, то интерференционные
полосы окрашены. Интерференцию в пленках можно наблюдать на стенках
мыльных пузырей, на тонких пленках масла или нефти, плавающих на поверхности
воды, на пленках, возникающих на
поверхности металлов или зеркала.
Рассмотрим сначала плоскопараллельную
пластинку толщины с показателем
преломления (рис. 2.11). Пусть на пластинку
падает плоская световая волна, которую можно
рассматривать как параллельный пучок лучей.
Пластинка отбрасывает вверх два
параллельных пучка света, один из которых
образовался за счет отражения от верхней
поверхности пластинки, второй
–
8
вследствие отражения от нижней поверхности. Каждый из этих пучков
представлен на рис. 2.11 только одним лучом.
При входе в пластинку и при выходе из нее пучок 2 претерпевает преломление.
Кроме двух пучков и , пластинка отбрасывает вверх пучки, возникающие в
результате трех-, пяти- и т.д. кратного отражения от поверхностей пластинки.
Однако ввиду малой интенсивности их можно не принимать во внимание.
Рассмотрим интерференцию лучей, отраженных от пластинки. Поскольку на
пластинку падает плоская волна, то фронт этой волны представляет собой
плоскость, перпендикулярную лучам 1 и 2. На рис. 2.11 прямая ВС представляет
собой сечение волнового фронта плоскостью рисунка. Оптическая разность хода,
приобретаемая лучами 1 и 2 до того, как они сойдутся в точке С, будет
,
(2.13)
где – длина отрезка ВС, а – суммарная длина отрезков АО и ОС. Показатель
преломления среды, окружающей пластинку, полагаем равным единице. Из
рис. 2.11 видно, что
,
(2.13) дает
преломления света:
что
следующее выражение:
. Подстановка этих выражений в
. Воспользуемся законом
; и учтем,
, тогда для разности хода получим
.
При вычислении разности фаз между колебаниями в лучах
и
нужно, кроме
оптической разности хода D, учесть возможность изменения фазы при отражении в
точке С. В точке С отражение волны происходит от границы раздела среды
оптически менее плотной со средой оптически более плотной. Поэтому фаза волны
претерпевает изменение на p. В точке
отражение происходит от границы
раздела среды оптически более плотной со средой оптически менее плотной, и
скачка фазы в этом случае не происходит. Качественно это можно представить
себе следующим образом. Если толщину пластинки устремить к нулю, то
полученная нами формула для оптической разности хода дает
. Поэтому при
наложении лучей
и
должно происходить усиление колебаний. Но это
невозможно, так как бесконечно тонкая пластинка вообще не может оказывать
9
влияния на распространение света. Поэтому волны, отраженные от передней и
задней поверхности пластинки, должны при интерференции гасить друг друга. Их
фазы должны быть противоположны, то есть оптическая разность хода D при d→0
должна стремиться к
или вычесть
. Поэтому к прежнему выражению для D нужно прибавить
, где λ0 – длина волны в вакууме. В результате получается:
.
(2.14)
Итак, при падении на пластинку плоской волны образуются две отраженные
волны, разность хода которых определяется формулой (2.14). Эти волны могут
интерферировать, если оптическая разность хода не превышает длину
когерентности. Последнее требование для солнечного излучения приводит к тому,
что интерференция при освещении пластинки наблюдается только в том случае,
если толщина пластинки не превышает нескольких сотых миллиметра.
10
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение — термодинамическая характеристика поверхности
раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого
изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела
при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех
компонентов в обеих фазах остаются постоянными.
Молекулы воды, находящиеся внутри жидкости, со всех сторон окружены другими
молекулами воды. Равнодействующая сил, действующая на такую молекулу, равна
нулю.
Совсем другая картина – на поверхности жидкости: молекулы имеют много
соседей-молекул снизу и очень мало – сверху. Равнодействующая сил,
действующая на каждую молекулу, будет направлена вглубь жидкости,
перпендикулярно поверхности.
Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости, поэтому на поверхности
жидкости остается меньше молекул, чем в любом слое внутри жидкости. И на
поверхности образуется пленка. Жидкость как бы стремится втянуть в себя все
молекулы поверхности и по возможности уменьшить свою поверхность.
Наименьшей поверхностью обладает шар. Поэтому жидкость, находящаяся только
под воздействием силы тяжести принимает форму шара. Космонавты в
космическом корабле могут это наблюдать. Падающая из открытого крана капля
воды тоже имеет форму шара. Ученые используют капельную модель ядра.
Красивые мыльные пузыри тоже шарообразные.
Молекулы поверхностного слоя жидкости, точно так же, как и молекулы нижних
слоев, находятся в равновесии, которое достигается за счет некоторого
уменьшения расстояния между молекулами поверхностного слоя и их
ближайшими соседями внутри жидкости. Известно, что при уменьшении
расстояния между молекулами возникают силы отталкивания. Молекулы
поверхностного слоя упакованы более плотно, поэтому они обладают
дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри
жидкости т.е. поверхностной энергией :
.
Мыльная вода, обладает способностью образовывать тонкие пленки. Жидкая
пленка превращается в эластичную поверхность, стремящуюся минимизировать
свою площадь, и, следовательно, минимизировать энергию натяжения,
приходящуюся на единицу площади.
Особенно резко выражены силы поверхностного натяжения в тонких пленках,
возникающих на каркасах. Такие пленки не могут существовать без
ограничивающего их поверхность твердого тела. Но когда тонкая пленка создается
11
в виде мыльного пузыря, то она принимает форму шара, и никаких сил
поверхностного натяжения не возникает. Таким образом, силы поверхностного
натяжения возникают только в том случае, когда силы взаимодействия между
молекулами перестают уравновешиваться.
Бельгийский ученый Жозеф Плато первым в XIX веке начал опыты по изучению
конфигураций мыльных пленок: он выдувал мыльные пузыри и конструировал
мыльные пленки, затягивающие проволочный контур. Оказалось, что мыльные
пленки, образующиеся на каркасах, могут иметь значительные размеры. Но чем
больше пленка, тем легче она лопается под действием силы тяжести.
Итак, опустим в мыльную воду прямоугольный каркас из проволоки, одна сторона
которого является подвижной, на нем образуется тонкая мыльная пленка. Эта
пленка сократит свою поверхность, и перекладина переместится
наверх. Следовательно, со стороны жидкой пленки вдоль ее поверхности будет
действовать сила Fн , касательная к поверхности и перпендикулярная участку
периметра, ограничивающего поверхность жидкости., сила поверхностного
натяжения.
Приложим к перекладине внешнюю силу Fвнеш = Fн подвижная сторона сместится
на , то работа этой силы будет равна
У мыльной пленки две поверхности, то
-приращение площади
поверхности обеих сторон мыльной пленки, где l = 2L - длина периметра,
ограничивающего поверхность жидкости. Так как модули внешней силы и силы
поверхностного натяжения одинаковы, то:
Коэффициент поверхностного натяжения равен отношению модуля силы
поверхностного натяжения к длине периметра, ограничивающего поверхность
жидкости.
Коэффициент поверхностного натяжения зависит:
от рода жидкости: s чистой воды = 73 мН/м, s ртути = 510 мН/м (при 20 ° С),
от наличия примеси. Например, s мыльного раствора = 40 мН/м,
от температуры.
Вы когда-нибудь наблюдали за процессом образования капли жидкости, ее
отрывом и дальнейшим свободным падением? Сравнивали ее с мячом или
воздушным шаром? А ведь они очень похожи, и не только по сферической форме.
Внутри каждого из них давление сжатого воздуха больше атмосферного давления.
,
где р - избыточное над атмосферным давление. Как можно его вычислить?
Давайте попробуем. Разрежем мысленно каплю жидкости на две половинки.
Каждая из них находится в равновесии под действием сил поверхностного
12
натяжения, приложенных к границе разреза длиной
, и сил избыточного
давления сжатого воздуха, действующего на площадь сечения
. Условие
равновесия:
Следовательно, избыточное давление, созданное одной искривленной
поверхностью равно.
Мыльный пузырь - это тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная
воздухом, обычно в виде сферы с переливчатой поверхностью. Избыточное
давление в мыльном пузыре больше, чем в капле воды так как в ней есть две
поверхности: внешняя с радиусом R1 и внутренняя с радиусом R2 ). Но так как
толщина мыльной пленки очень мала, то R1 =R2, тогда избыточное давление внутри
мыльного пузыря равно
Таким образом, мыльный пузырь в свободном состоянии будет иметь почти в два
раза больший радиус, чем обычная капля воды. Тогда полное давление внутри
мыльного пузыря будет равным
Свободная мыльная пленка, натянутая на каркас произвольной формы и не
образующая пузырей, будет иметь среднюю кривизну, равную 0.
Еще Галилео Галилей задумывался над вопросом, почему росинки принимают
шарообразную форму. Отчего столь пристальное внимание привлекли тонкие
пленки и мыльные пузыри, а также самая обычная пена? Дело в том, что разгадка
общего механизма действия поверхностных сил привела к объяснению
удивительно разнообразных природных явлений - от процесса образования капель
до поведения жидкостей в живых организмах. Более того, понимание свойств
поверхностного натяжения позволило активно использовать его в широком
практическом диапазоне - от сельского хозяйства до космической техники.
Исследования в этой области породили красивые и плодотворные аналогии.
13
Практическая часть
Очень большие и красивые пузыри можно выдувать из стеклянной воронки.
Огромные пузыри, до 30 см в диаметре! Воронку опускаем в широкий сосуд,
чтобы хорошо смочить в мыльном растворе её края. Осторожно, держа воронку
вертикально, подняли её и дули, с передышками, каждый раз зажимая пальцем
узкий конец воронки. Иначе сила натяжения мыльной плёнки выгонит воздух из
шара. А плёнка сжимает этот воздух с изрядной силой. В этом очень легко
убедиться. Поднесли узкий конец воронки к горячей свече и сказали: - Свеча,
погасни! Пламя станет меркнуть, меркнуть, а потом потухнет.
14
Вывод
Мы заглянули в мир оптики и объяснили физическую природу мыльного пузыря,
изучая явление интерференции и исследуя поверхностное натяжения мыльной
плёнки. Сами сделали различные по форме и размерам мыльные шары.
Представили свой эксперимент и его результаты на открытом уроке по физике и
рассказали о природе мыльного пузыря своим одноклассникам и учителям.
15
Литература
 Физика. 11 класс. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М.
 http://festival.1september.ru/articles/616663/
 http://www.fizika.ru/
 http://www.afportal.ru/
 http://av-physics.narod.ru/
16