«Исследование свойств мыльных пленок»

1. МОУ «Николо-Поломская СОШ» Парфеньевского района Костромской области. «Исследование свойств мыльных пленок» Направление науки:Физика. Авторы работы: Ученицы 10 класса Суворова Ксения и Богдановская Юлия Научный руководитель: Моисеев Валерий Георгиевич, учитель физики 2010 год

2. Содержание: 1.Введение. а) мотивация выбора темы исследования; б) цели исследования. 2.Опыты с мыльными пузырями и плёнками. 1.Подготовка материалов. 2.Занимательные опыты: а) несколько пузырей друг в друге; б) прочная мыльная плёнка; в) мыльный пузырь на морозе. 3.Опыты, иллюстрирующие законы физики: а) радуга на мыльном пузыре, явление интерференции. б) линза из мыльной плёнки в) постоянная форма пузыря; г) реакция мыльного пузыря на температуру; д) стремление плёнки занять наименьшую площадь. 4.Практическое применение. 3.Заключение. 4.Литература.

3. Мыльный пузырь, витая в воздухе… зажигается всеми оттенками цветов, присущими предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы.Марк Твен. ВВЕДЕНИЕ. Легко ли выдувать мыльные пузыри? Многие думают, что не стоит заниматься таким пустым делом. Совсем иначе смотрели на это дело известные физики: Кельвин, Ньютон, Бойс, Дьар. Великий английский учёный лорд Кельвин писал: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Действительно, радужные переливы красок на поверхности тончайших мыльных плёнок дают физику возможность измерить длину световых волн, а исследование натяжения этих нежных плёнок помогает изучать законы действия сил между частицами и другие законы и явления. Плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому зрению. Не редко говорят:«Тонкий как волос». Но, оказывается, это очень грубое выражение по сравнению с толщиной мыльной плёнки. Чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии, волос при таком же увеличении в 40000 раз будет иметь толщину свыше 2 метров.

4. Мы задались целью: изучить свойства мыльных пузырей и пленок, физические явления, происходящие с ними, а также найти практическое применение. Мы изучили литературу на эту тему. Сделали много экспериментов: одни опыты были просто занимательными, а другие стали иллюстрацией некоторых физических законов. Предположим:1) Мыльная пленка на каркасе занимает всю внешнюю поверхность тела. 2) Используя различные мылосодержащие средства, самую прочную пленку можно получить с добавлением глицерина. Так ли это? 3) Возможно, мы обнаружим новые свойства мыльных пленок ,о которых мы раньше не знали или просто не обращали внимания на них.

5. Опыты с мыльными пузырями и пленками. Подготовка материалов. Чтобы эти опыты были удачными, необходим хороший раствор, для его приготовления берётся мыло. Его разводят в холодной дистиллированной воде (можно в дождевой или снеговой) до получения довольно чистого раствора. Добавляют глицерин (одна треть по объёму), а затем с поверхности раствора удаляют пену и пузыри. Но у нас лучше получались пузыри, если вместо мыла добавлял в воду шампунь и разводил его глицерином. Для выдувания применяют соломинки. На нижнем конце соломинки будет возникать прозрачный шар – мыльный пузырь. Производить опыты нужно медленно, осторожно. Оказывается, в этом деле тоже нужна сноровка и некоторый опыт.

6. Занимательные опыты. Несколько пузырей друг в друге. Из воронки, как и в предыдущем случае, выдули большой мыльный пузырь. Затем мыльную соломинку просовывали осторожно через стенку первого пузыря до центра. Выдували второй пузырь, заключённый в первом, в нём – третий, четвёртый и т. д. У нас получалось до двух пузырей друг в друге.

7. Прочная мыльная плёнка. Смоченный в мыльном растворе стальной шарик, пролетая через плёнку, также оставляет её целой. Английский физик Дьюар хранил мыльные пузыри в особых бутылках, хорошо защищёнными от пыли, высыхания и сотрясения воздуха; при таких условиях ему удавалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Есть сведения, что под стеклянным колпаком мыльный пузырь может сохранятся годами. Мыльный пузырь на морозе. Мы приготовили мыльный раствор и вышли на мороз. На морозе выдули мыльный пузырь. Мыльная плёнка покрывалась ледяными иголочками – кристалликами льда. Из этих иголочек вырастали ледяные фигурки.

8. Опыты, иллюстрирующие законы физики. Радуга на мыльном пузыре, явление интерференции. Мы внимательно рассматривали мыльный пузырь через увеличительное стекло и обратили внимание на отражение света в мыльной плёнке и на спектральные цвета. Если опустить конец трубки в тарелку с мыльной водой и дуть в трубку, чтобы образовалась мыльная пена, то можно через увеличительное стекло наблюдать на вершинах пузырей цветные кольца. Похожая картина получается в следующем опыте. Поместили на край стакана предварительно смоченный глицерином большой пузырь.

9. На расстоянии от него установили свечу, а с другой стороны бумажный экран. На экране отчётливо видно цветные кольца Ньютона, которые перемещаются сверху вниз. Интерференция- еще одно физическое явление, которое делает мыльные пузыри зрелищными и эстетически привлекательными. Еще бы, ведь из-за постоянного движения пузыря в воздухе ,отражение световых лучей от его внешней и внутренней поверхностей постоянно меняет угол преломления, и мы видим в пузыре то радужные разводы, то отражение облаков и пр.

10. По мере того, как испаряется вода, удерживаемая слоями мыльных молекул, поверхность пузыря меняет свой цвет: сначала она сине-зеленая, затем, по мере истончения пленки, становится синей, потом пурпурной, золотисто-желтой и , наконец, мы перестаем видеть отражение совсем. Когда толщина мыльной пленки становится меньше 25 нанометров (тоньше, чем длина волны видимого света), пузырь лопается. Опытным путем мы пытались определить толщину мыльной пленки. Ниже приведены наши рассчеты: m железного каркаса = 3гр. 400миллигр. ; m каркаса с мыльной пленкой = 3гр. 450миллигр. =>, m (мыльн.пленки)= 50 миллигр. S каркаса =5,7см*6,7см= 38,19см ^2= 3819 мм^2 Толщина (мыльной пленки в мм) =50/3819=0,65мм !!! Нужно обязательно учесть погрешность наших измерений, так как у нас не было точных приборов для исследования.

11. Линза из мыльной плёнки. Взяв проволочное кольцо, мы опустили на него мыльный пузырь. Получилась двояковыпуклая мыльная линза. Но через такую необыкновенную линзу окружающие предметы просматриваются без всяких изменений: нет ни увеличения, ни уменьшения, ни ослабления видимости. Дело в том, что мыльные линзы, по существу, - воздушные, так как между тончайшими сферическими мыльными плёнками находится воздух. Световые лучи, проходящие через такую линзу, практически не преломляются. Выдули мыльный пузырь, оторвали его от конца трубки и сразу же начали быстро двигаться назад – сначала прямо, затем отклоняясь, то вправо, то влево. Пузырь всё время следовал за нами. Причём, чем меньше пузырь, тем послушней. Такое поведение пузыря связано с тем, что при нашем резком движении между нами и пузырём создаётся область пониженного давления воздуха – сюда и устремляется мыльный пузырь.

12. Стремление плёнки занять наименьшую площадь. Если, выдув пузырь, вынуть трубку изо рта, то он будет заметно уменьшаться в объёме. Это происходит потому, что жидкая плёнка, стремясь сократится, уменьшает площадь своей поверхности. Если, вынув трубку изо рта, зажать открытый конец трубки пальцем, то пузырь уменьшаться не будет, так как этому помешает запертый внутри пузыря воздух. Более наглядно это можно увидеть, если направить трубку открытым на пламя свечи. Пламя заметно уклонится в сторону. Так можно убедится, что сила тончайших мыльных плёнок не так уж ничтожна.

13. Опыты с каркасами. Рамку, изготовленную из проволоки, погрузили в мыльный раствор и вынули. Она оказалась затянутой плёнкой. Бросили на неё нитяную петельку. Форма петли станет неправильная .Если же спичкой проткнуть плёнку внутри петельки, то внешняя часть плёнки, стремясь сократиться, растянет нитку в окружность Так как окружность охватывает самую большую площадь при данном периметре, то уцелевшая часть плёнки будет иметь наименьшую площадь, чем при любой другой форме петли.

14. Похожий результат получится, если к проволочному кольцу по диаметру привязать кусочек нити и опустить его в мыльный раствор. Когда на каркасе, затянутым плёнкой, проткнёшь одну её часть, оставшаяся половинка плёнки сократится и натянет нить по дуге. Если снова опустить проволочное кольцо в мыльную воду и, вынув, проткнуть плёнку по другую сторону нити, то оставшееся часть плёнки также сократится и натянет нить в противоположную сторону .Я проделал опыты и с другими проволочными каркасами. Сделали на П-образной проволоке подвижную часть из более тонкой и лёгкой проволочки. Опустил каркас в мыльную воду и вынули, держа его за выступ. Он затянулся мыльной плёнкой. Когда мы отпустили нижний выступ, плёнка сократилась и подтянула подвижную проволочку вверх.

15. Цилиндр из мыльной пленки получается между двумя проволочными кольцами. Для этого на нижнее кольцо мы опустили обыкновенный шарообразный пузырь, затем сверху к пузырю приложили смоченное второе кольцо и, поднимая его вверх, растянули пузырь. И чем больше мы разводили кольца, тем более вогнутыми становились стенки цилиндра .Так же мы опускали в мыльную воду и остальные каркасы и наблюдали интересные формы и фигуры образовавшихся плёнок . Эти опыты наглядно показывают, что поверхностный слой жидкости стремится сократиться, т. е. Уменьшить площадь своей поверхности. Практическое применение. Кроме иллюстрации законов физики мы думаем, можно применить изученные свойства мыльных плёнок и в архитектуре. Для разработки и внедрения в практику строительства лёгких конструкций, одним из методов моделирования таких конструкций может быть с мыльными плёнками. Именно мыльные плёнки очень часто образуют поверхности самой причудливой формы и при этом с наименьшей площадью. Поэтому моделирование на мыльных плёнках можно использовать на первой стадии проектирования конструкций сложных форм. Такие композиции отличают оригинальность формы, лёгкость, вызывающая у зрителя ощущение невесомости.

16. Заключение. В ходе своего исследования мы узнали много новых свойств мыльных пленок( пузырей), пришли к выводу, что выдувание пузырей порой не пустая забава, а хороший способ изучения физических законов и явлений: - мыльная пленка на каркасе стремится занять наименьшую площадь. -Законы действия сил между частицами; -Интерференция света; -Закон преломления света; -Атмосферное давление; -Закон Паскаля; -Движение молекул и температура. -Кроме этого мыльные плёнки – хороший способ моделирования архитектурных конструкций, а также они применяются психологами для обучения больных детей.

17. Литература. Список литературы, которую мы использовали в своей исследовательской работе: 1.)Элементарный учебник физики, под ред. Г.С. Ландсберга – М.: Т1-1970 г.Т2-1971 2.)Учебное пособие для школ и классов с углубленным изучением физики. Под ред. А.А. Пинского. М. «Просвещение» -1993 3).Физика 10 класс . Н.М. Шахмаев, С.Н. Шахмаев, Д.Ш. Шодиев. М. «Просвещение» - 1992