У процесі проведення фізичного практикуму необхідно навчити учня творчо підходити до дослідницькій роботі, правильно вибирати методику експерименту й вимірювальні прилади. Учні повинні навчитися розуміти й застосовувати теорію досліджуваного явища. Свідоме виконання експерименту, уважність і зосередженість на процесі вимірів, дбайливе відношення до приладів - необхідні умови успішного проведення досвід. Учень заздалегідь повинен ознайомитися з установкою, на якій йому має бути виконувати лабораторну роботу, і зробити орієнтовні виміри
Багато вчителів фізики проводять у цей час ті або інші роботи, пов'язані з фізичним експериментом: організують практикуми, різні фізичні кружки, дають домашні експериментальні завдання й т.д. Серед цих різноманітних форм навчання, що приводять до всебічного розвитку учнів, особливо велике значення мають класні лабораторні
роботи [10]
Фронтальний метод постановки лабораторних занять по фізиці в середній школі, як відомо, має ряд досить важливих позитивних сторін. Це насамперед дає можливість тісно зв'язати лабораторні роботи учнів з досліджуваним курсом. Завдяки фронтальному методу лабораторні заняття можуть бути поставлені як введення до того або іншого розділу курсу, або як ілюстрація до пояснення вчителя, або як повторення й узагальнення пройденого матеріалу [13]
Таким чином, лабораторний експеримент учнів стає необхідною ланкою в процесі навчання, що значно допомагає засвоєнню матеріалу, як і демонстраційні досвіди [4]
Все вищевикладене пояснює актуальність теми обраної випускної кваліфікаційної роботи: явище поверхневого натягу входить в обов'язковий мінімум змісту обумовлений державним освітнім стандартом, особливо в школах теоретичне навчання необхідно підтверджувати експериментом
Об'єкт дослідження: процес навчання фізиці в середній школі й вузі в області вивчення будови й властивостей рідини
Предмет дослідження: експериментальне визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини
Ціль: вивчення існуючих методів визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин
Для досягнення даної мети були поставлені наступні завдання:
поглиблене вивчання явища поверхневого натягу;
ознайомитися з існуючими методами визначення коефіцієнта поверхневого натягу й виявити ті, які можна використовувати в шкільному курсі;
відробити методику експериментального визначення коефіцієнта поверхневого натягу води методом компенсації тиску Лапласа
У першому розділі розглядаються: явище поверхневого натягу, експериментальні методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу, а також визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом компенсації тиску Лапласа
У другому розділі аналізуються експериментальні результати даного досвіду й приводиться методична розробка лабораторної роботи “Вимір коефіцієнта поверхневого натягу води”
У висновку зроблені основні висновки про роботу
Глава I. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу
§1. Явище поверхневого натягу
Вивчимо одну із властивостей поверхні рідини, що стикається з іншим середовищем, наприклад з її власною парою, із твердим тілом, зокрема зі стінками посудини
Візьмемо котушку й видуємо мильну бульку. Як тільки ми віднімемо котушку від рота, плівка мильної бульки почне скорочуватися, він зменшиться, а потім зникне. Взявши дротове кільце із прив'язаної до нього у двох поштовхах ниткою, одержимо на ньому мильну плівку. На плівці нитка лежить вільно. Прорвемо плівку з однієї сторони нитки. частина, Що Залишилася, плівки скоротилася, натягнувши нитку. Одержимо плівку на дротовій рамці, одна поперечина якої рухлива . У цьому випадку плівка теж скоротилася, піднявши поперечину [15]
З'ясуємо, чим обумовлено властивість поверхні рідини скорочуватися. Три молекули й сфери їхньої дії. Молекулярні сили, що діють на молекулу 1 з боку молекул, що перебувають у сфері молекулярної дії, взаємно врівноважуються. В інших умовах виявляється молекула 2 на поверхні рідини. Над нею є пара рідини, дією молекул якого можна зневажити. При такій умові молекулярні сили, що діють на молекулу 2, виявляються неврівноваженими, їх рівнодіюча R спрямована в глиб рідини перпендикулярно до її поверхні. У такому стані перебувають всі молекули поверхневого шару товщиною в радіус сфери молекулярної дії (приблизно шар в 1-2 молекули)
Щоб молекула 3 виявилася в поверхневому шарі рідини, над нею треба зробити роботу проти сил, що втягують її в глиб рідини. Ця робота відбувається за рахунок кінетичної енергії навколишніх її молекул; у результаті роботи збільшується потенційна енергія поверхневого шару рідини
Виявившись у поверхневому шарі, молекула стане мати більшу потенційну енергію, чим молекули, розташовані в глибині рідини. Таким надлишковим запасом потенційної енергії володіють всі молекули поверхневого шару рідини. Ця енергія прямо пропорційна величині поверхні рідини
З курсу механіки відомо, що починаючи від атома всяка система, включаючи галактики, при рівновазі перебуває в такому стані (із всіх можливих), при якому запас її потенційної енергії мінімальний. Стосовно до поверхні рідини це означає, що дана поверхня повинна скорочуватися (якщо можливо) до мінімуму, тоді запас потенційної енергії поверхневого шару стане найменшим. Це скорочення викликається молекулярними силами, що діють уздовж поверхні рідини. Вони називаються силами поверхневого натягу [1]. Наявністю сили поверхневого натягу й пояснюється скорочення плівки у вищеописаних досвідах. Сила поверхневого натягу, скорочуючи поверхневий шар, надає краплі рідини форму кулі, викликає злипання намочених водою волосся, злипання мокрого піску. Вектор сили поверхневого натягу F спрямований перпендикулярно до будь-якого елемента довжини лінії, що обмежує поверхня рідини, і відносно до цієї поверхні. У випадку, якщо поверхня рідини плоска, то вектор сили поверхневого натягу лежить у площині поверхні рідини
З'ясуємо, як можна виміряти силу поверхневого натягу. Одержавши мильну плівку на дротовій рамці, щоб вона не переміщалася, прикладемо до неї силу F. Сторона АВ цієї рамки рухлива. Сила поверхневого натягу плівок (одна йз яких перебуває по одну сторону рамки, а інша - по іншуу) дорівнює ваги дроту АВ і грузика. Якщо так визначати силу натягу поверхневого шару, наприклад води, гасу й т.д., то виявляється, що в різних рідин вона різна. Для порівняння сил поверхневого натягу різних рідин уведена величина, називана коефіцієнтом поверхневого натягу. Величина, що характеризує властивість поверхні рідини скорочуватися й вимірювана силоміць поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії на поверхні рідини, називається коефіцієнтом поверхневого натягу [8]. Якщо позначити довжину границі поверхні рідини l , силу поверхневого натягу однієї плівки, що діє на цій границі, - F, то коефіцієнт поверхневого натягу буде
. (1)
Коефіцієнт поверхневого натягу має найменування н/м. З підвищенням температури коефіцієнт поверхневого натягу чистих рідин зменшується [1]
Асиметрія сил взаємодії молекул перехідного шару з навколишніми їх (у межах обсягу молекулярної дії) молекулами приводить, як відомо, до подання про наявність тангенціальних і нормальних щодо поверхні роздягнула фаз сил, що діють на молекули перехідного шару [2]. Це - сили поверхневого межфазового натягу й молекулярного тиску
Обидві ці категорії сил, що діють на молекули, які перебувають на різних відстанях від поверхні роздягнула фаз, не однакові по величині: вони монотонно убувають в обох напрямках по нормалі до нормалі роздягнула фаз
У цьому легко розібратися, розглянувши проходження молекули m через поверхню роздягнула фаз MN . Нехай, наприклад, переміщення молекули відбувається через границю роздягнула між рідиною і її насиченою парою з відстані r радіуса молекулярної дії усередині рідкої фази на ту ж відстань у газоподібній фазі [11]