Почему поверхность воды иногда ведёт себя как натянутая плёнка?
Почему капля собирается в шарик? Почему вода сама поднимается вверх по тонкой трубке? Почему одна поверхность намокает, а другая нет? Все эти явления связаны с взаимодействием частиц.
Чем частица на поверхности отличается от частицы внутри?
Возьмём модель жидкости. Частицы в ней расположены вплотную и притягиваются друг к другу — это мы уже знаем. Но у частицы в глубине и у частицы на самом верху окружение разное. Выбери частицу и посмотри, чем именно.
Почему поверхность особенная?Выбери частицу
Нажимай на кнопки или прямо по частицам на модели. Стрелки показывают притяжение со стороны соседей.
Частица внутри жидкости
Молекулы внутри жидкости притягиваются соседями со всех сторон, и эти притяжения примерно уравновешиваются. У молекул на поверхности окружение другое: со стороны жидкости соседей намного больше, чем со стороны воздуха.
Поверхностное натяжение. Из-за неодинакового окружения поверхность жидкости ведёт себя так, будто стремится сократиться — уменьшить свою площадь.
Осторожно с образом. Никакой отдельной плёнки на чистой воде нет. «Плёнка» — это удобное сравнение для описания поведения поверхности, а не реальная оболочка. И молекулы на поверхности не стоят на месте: они, как и все остальные, участвуют в тепловом движении.
Капля
Почему капля собирается в шарик?
Перед тобой капля, которую насильно растянули. Отпусти её и следи за индикатором площади поверхности.
Как думаешь, что произойдёт с площадью поверхности, когда капля примет свободную форму?
Собери каплюТяни мышью или пальцем
Тяни каплю за край — она растянется. Отпусти — вернётся к округлой форме. Следи за площадью поверхности справа сверху.
поверхность: 100 %
Почему шар. При одном и том же объёме шар имеет наименьшую площадь поверхности. Поэтому маленькие свободные капли стремятся принять форму, близкую к шарообразной. Большие капли на Земле заметно сплющивает сила тяжести — идеальным шаром капля бывает далеко не всегда.
Что удерживает скрепку на воде?
Металлическая скрепка тяжелее воды. Брось её — утонет. Но если положить очень аккуратно и плашмя, она может остаться на поверхности. Попробуй оба способа.
Скрепка на водеДва способа
Сначала брось скрепку, потом положи аккуратно. В конце добавь каплю моющего средства и посмотри, что изменится.
Скрепка над водой
Выбери способ.
Поверхность слегка прогибается под скрепкой, и вдоль линии соприкосновения действуют силы поверхностного натяжения. Именно они при определённых условиях удерживают небольшой предмет. Дело не в том, что скрепка «легче воды» — она тяжелее.
Почему после добавления моющего средства скрепка утонула?
Смачивание
Почему вода растекается не везде?
Капнем одинаковую каплю воды на чистое стекло и на поверхность, покрытую воском. Вода одна и та же, капли одинаковые — а ведут себя они по-разному.
Две поверхностиКапни и сравни
Капни воду на обе поверхности, потом включи вид на уровне частиц и посмотри, чем различается взаимодействие.
Чистое стекло
Поверхность с воском
Нажми «Капнуть воду».
Здесь работают два взаимодействия сразу: притяжение частиц воды друг к другу и притяжение частиц воды к частицам поверхности. Побеждает то, которое сильнее.
Смачивание — жидкость сильнее притягивается к поверхности, чем к самой себе, и стремится по ней растечься. Несмачивание — притяжение частиц жидкости друг к другу оказывается относительно сильнее, и жидкость собирается в каплю.
Важно. Смачивание зависит сразу от двух веществ — жидкости и материала поверхности. Нельзя говорить «вода всегда смачивает» или «эта жидкость никогда не смачивает»: всё определяется парой.
Форма каплиОдин ползунок
Меняй соотношение двух притяжений и следи за формой капли. По ней можно судить, насколько хорошо жидкость смачивает поверхность.
притяжение к поверхностипритяжение внутри жидкости
растекается
Для любознательных: краевой угол
Угол между поверхностью капли и подложкой в точке их соприкосновения называют краевым углом. Чем он меньше, тем лучше смачивание: капля расплывается в тонкий слой. Чем ближе угол к развёрнутому, тем хуже смачивание — капля почти шарик. Заучивать это в 8 классе не нужно, но именно так физики описывают смачивание количественно.
Мениск
Почему поверхность воды у стенки изгибается?
Налей воду в узкую стеклянную трубку и присмотрись к её поверхности. У стенок она не горизонтальная: вода будто немного взбирается по стеклу.
Форма поверхности у стенкиДве жидкости
Переключай жидкость и увеличивай область у стенки. Смотри, куда изгибается поверхность.
Вогнутый мениск
Вывод. Форма поверхности жидкости возле стенки зависит от того, смачивает жидкость материал сосуда или нет. Смачивает — мениск вогнутый, не смачивает — выпуклый.
Капилляры
Вода поднимается сама?
Опустим в воду несколько стеклянных трубок разного диаметра. Прежде чем смотреть результат, сделай предположение.
В какой трубке вода поднимется выше?
Трубки разного диаметраГлавный опыт
Опусти трубки в воду. Потом меняй радиус ползунком и следи за высотой подъёма. Переключатель внизу меняет тип жидкости.
Трубки над водой
очень тонкаяширокая
Жидкость
Нажми «Опустить в жидкость».
Главное. Чем тоньше капилляр, тем выше поднимается смачивающая жидкость. А если жидкость стенки не смачивает, уровень в трубке окажется ниже, чем снаружи. Так что правила «в тонкой трубке всё всегда поднимается» не существует.
Но ведь сила тяжести направлена вниз. Почему вода идёт вверх?
Это главный вопрос темы. Разберём его по шагам — включи показ сил в опыте выше и следи за стрелками.
Причинная цепочка.
вода смачивает стенку → поверхность у стенки поднимается и изгибается → появляется составляющая сил поверхностного натяжения, направленная вверх → жидкость поднимается → столб воды растёт, его вес увеличивается → в какой-то момент вес уравновешивает натяжение, и подъём прекращается.
Поэтому вода в капилляре поднимается не бесконечно: у подъёма всегда есть предел, и он тем выше, чем тоньше канал.
Почему в обычном широком стакане капиллярного подъёма почти не видно?
Почему бумага впитывает воду?
Опустим край бумажной полоски в стакан с подкрашенной водой. Никаких трубок здесь нет — и всё-таки вода поползёт вверх.
Бумажное полотенцеБытовой опыт
Запусти время и посмотри, как вода поднимается по бумаге. Потом увеличь бумагу и найди причину.
Обычный вид
Нажми «Запустить время».
Бумага состоит из множества переплетённых волокон, между которыми остаются очень узкие промежутки. Каждый такой промежуток работает как капилляр — поэтому вода поднимается по полоске сама.
Где это встречается
Капиллярность вокруг нас
Нажми на карточку, чтобы увидеть, где именно прячутся узкие каналы.
Открыто примеров: 0 из 5.
Одна причина — разные явленияСоедини пары
Слева — что происходит на уровне частиц, справа — какое явление из этого получается. Соедини их.
Взаимодействие частиц
Что мы наблюдаем
Соединено пар: 0 из 4.
Всё, что мы разобрали, растёт из одного корня: частицы жидкости взаимодействуют друг с другом и с частицами окружающих тел. Меняется только то, какое из взаимодействий в конкретной ситуации важнее.
Не путай
Шесть частых ошибок
Нажми на карточку, чтобы увидеть, как правильно.
✕На воде лежит настоящая тонкая плёнка
Как правильно. Отдельной плёнки нет. Поверхность просто ведёт себя так, будто стремится сократиться, — это следствие того, что у поверхностных молекул соседей с одной стороны меньше. «Плёнка» — образное сравнение, а не физический объект.
✕Если иголка держится на воде, значит она легче воды
Как правильно. Сталь плотнее воды — иголка тяжелее. Аккуратно положенную иглу удерживают силы поверхностного натяжения вдоль линии соприкосновения. Стоит проколоть поверхность или уменьшить натяжение — и она сразу утонет.
✕Вода смачивает любую поверхность
Как правильно. Смачивание определяется парой веществ. Вода хорошо смачивает чистое стекло и плохо — поверхность, покрытую воском или жиром. Одна и та же жидкость на разных материалах ведёт себя по-разному.
✕В тонкой трубке любая жидкость обязательно поднимается
Как правильно. Поднимается только смачивающая жидкость. Если жидкость стенки не смачивает, уровень в капилляре окажется ниже, чем снаружи, а мениск будет выпуклым.
✕Чем шире трубка, тем выше поднимается вода
Как правильно. Наоборот. Чем уже канал, тем выше подъём. В широком стакане капиллярный подъём практически незаметен — видно только небольшой изгиб поверхности у стенок.
✕Вода поднимается в деревьях только благодаря капиллярности
Как правильно. Капиллярные явления в растениях работают и помогают перемещению воды. Но подъём воды на большую высоту в дереве объясняется несколькими механизмами сразу, а не одной капиллярностью.
Виртуальная лаборатория
Лаборатория поверхности жидкости
Четыре коротких исследования. В каждом нужно провести опыт и выбрать объяснение того, что произошло.
Выполнено опытов: 0 из 4.
Для любознательных: как это записывают формулой
Силу поверхностного натяжения, действующую вдоль границы поверхности, записывают так:
F = σ · l
F — сила поверхностного натяжения; σ («сигма») — коэффициент поверхностного натяжения, своя величина для каждой жидкости; l — длина границы, вдоль которой действует сила.
У воды коэффициент один из самых больших среди обычных жидкостей — поэтому капли воды такие «крепкие». Мыльный раствор его заметно уменьшает: именно поэтому в опыте со скрепкой всё и рушится. Считать по этой формуле в 8 классе обычно не требуется — важнее понимать физический смысл.
Финальная проверка
Десять заданий
Проверяем понимание механизмов, а не заученные определения. После каждого ответа — разбор.
Задание 1Объясни форму
Почему маленькая свободная капля воды стремится принять округлую форму?
Задание 2Предскажи
Капля воды на поверхности почти не растекается и стоит высоким бугорком. Что можно предположить?
Задание 3Сравни трубки
В воду опущены три стеклянные трубки разного радиуса. В какой вода поднимется выше?
Задание 4Определи мениск
Поверхность жидкости в трубке выпуклая — приподнята в середине. Что это значит?
Задание 5Объясни опыт
Что удерживает аккуратно положенную скрепку на поверхности воды?
Задание 6Причинная цепочка
Восстанови пропущенное звено: вода смачивает стенку → ??? → появляется составляющая натяжения вверх → жидкость поднимается.
Задание 7Найди ошибку
«Вода в капилляре будет подниматься сколько угодно, если трубка достаточно тонкая». Что здесь неверно?
Задание 8Быт и механизм
Почему бумажное полотенце впитывает пролитую воду?
Задание 9Выбери форму капли
На какой картинке показана капля на хорошо смачиваемой поверхности?
Задание 10Предскажи результат
В стакан, где на поверхности лежит скрепка, добавили каплю моющего средства. Что произойдёт и почему?
Результат
Как ты понял тему
Поверхностное натяжение0/4
Смачивание и мениск0/3
Капиллярность0/3
Ответь на задания — здесь появится разбор по направлениям.
Итог урока
Три явления — одна причина
Поверхностное натяжение
Частицы жидкости притягиваются друг к другу, и у поверхностных окружение неполное. Поверхность стремится уменьшить площадь.
капли принимают округлую форму
небольшие предметы могут удерживаться на поверхности
мыльный раствор ослабляет эффект
Смачивание
Жидкость взаимодействует не только сама с собой, но и с поверхностью твёрдого тела. Побеждает более сильное притяжение.
сильнее к поверхности — жидкость растекается
сильнее внутри — собирается в каплю
от этого зависит и форма мениска
Капиллярность
В узких каналах смачивание и поверхностное натяжение проявляются особенно заметно.
смачивающая жидкость поднимается
несмачивающая опускается
чем уже канал, тем сильнее эффект
Главное. Капля, мениск и вода в тонкой трубке — это разные проявления одного и того же: взаимодействия частиц жидкости между собой и с частицами окружающих тел.