Физическая викторина. Теплота и молекулярная физика. Молекулярные силы в жидкостях
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1. Диск из алюминия (диаметр 20 см, толщина 1 мм), нижняя поверхность которого смазана солидолом, осторожно, держа за привязанные к нему нити, положить плашмя на поверхность воды, налитой в широкий стеклянный сосуд (рис.). В центре диска поставить гирю массой 100 г. Почему, несмотря на то что алюминий в 2,5 раза тяжелее воды, диск плавает на ее поверхности?
2. Из парафина сделать шарик диаметром 4 см. В шарик вдавить кусочек металла такого размера, чтобы средняя плотность шарика была немного больше, чем у воды. Если такой шарик резко бросить в воду, то он потонет; если же его осторожно опустить на воду, то будет плавать.
Опустить шарик на дно большого стеклянного сосуда с водой. В этот сосуд погрузить вверх дном стакан (диаметр которого в 2—3 раза больше поперечника шарика) и накрыть им шарик (рис.). Поднять стакан вверх — вместе с ним будет подниматься и шарик. Когда шарик будет плавать на поверхности воды, стакан осторожно убрать. Объяснить явление.
3. Выскакивающий поплавок (рис.). Сквозь большую пробку продеть кусок проволоки толщиной 1—2 мм. К нижнему концу поплавка прикрепить свинцовый груз, а недалеко от верхнего конца проволоки перпендикулярно к ней припаять плоскую металлическую сетку размером 60 X 60 мм.
Вес свинцового груза должен быть таким, чтобы прибор в сосуде плавал стоймя, а верхняя часть пробки немного выступала из воды.
Погрузить прибор так, чтобы сетка оказалась под водой,— он останется в таком же положении. Налить в стакан несколько капель эфира и наклонить стакан над поверхностью воды, в которой плавает поплавок (осторожно, чтобы не вылилось ни капли эфира). Поплавок выскочит из воды, причем сетка окажется над ее поверхностью. Объяснить явление.
4. На столе стоит стакан с водой, узкогорлый флакон (например, от одеколона) и кусок тонкой проволоки. Как налить воду из стакана во флакон?
Обосновать использованный способ.
5. «Склеивание» водяных струй. В консервную банку, в стенке которой пробиты три отверстия диаметром около 1 мм каждое (рис.), налить воды. Она будет вытекать тремя струйками. Сдавить струи пальцами, проводя ими по стенке банки. Струи соединятся в одну струю. Объяснить явление.
6. В центр поверхности воды, налитой в кювету, с помощью пипетки капнуть чернила. Капля мгновенно растекается во все стороны к стенкам кюветы. Объяснить явление.
7. Из тонкого картона (можно взять открытку) вырезать фигуры, изображенные на рисунке, и окунуть их в расплавленный парафин.
После застывания парафина фигуры пустить плавать на поверхность воды, налитой в стеклянную ванночку. В расширение прорезей первой фигуры положить небольшие кристаллики камфоры — фигура начнет вращаться по часовой стрелке.
Концом проволоки, смоченной в мыльном растворе, коснуться поверхности воды в точке α второй фигуры. «Ядро» вылетит из «пушки». (Опыты показать в световой проекции на потолок.) Объяснить явление.
8. «Пляска» камфоры. Чистую кювету наполнить свежей водопроводной водой и поместить на прибор для горизонтальной проекции на потолок. Насыпать мелкие крупинки камфоры на поверхность воды — они начинают энергично вращаться. Капнуть на поверхность воды масла — крупинки камфоры мгновенно останавливаются. Объяснить явление.
9. Тщательно промытую стеклянную воронку конусом полностью погрузить в воду, чтобы смочить ее внутреннюю поверхность. Затем вынуть из воды воронку и, закрыв ее трубку мокрым пальцем, погрузить в мыльный раствор. При извлечении воронки из раствора на ее
конусе образуется мыльная пленка (рис.). Отпустить палец. Пленка начнет подниматься вверх по поверхности конуса внутрь воронки к ее трубке. Объяснить явление.
10. Изготовленный из проволоки каркас (рис.), напоминающий ножницы, опустить в мыльный раствор и образовать на нем пленку. Прорвать раскаленной иглой пленку внутри привязанной к каркасу нитяной петли. Нитка, растягиваемая мыльной пленкой, приобретает форму дуги. Передвигая ручки «ножниц», растягивают мыльную пленку. Почему, несмотря на это, форма нитяной петли не меняется?
11. В стеклянный сосуд с водой пустить плавать игрушку из целлулоида. Если коснуться поверхности воды кусочком сахара, то игрушка подплывет к нему. Если коснуться кусочком мыла, то игрушка отплывет. Объяснить явление.
12. Космонавт П. Р. Попович, находясь в кабине космического корабля в условиях невесомости, наблюдал за пузырьками воздуха в закупоренной колбе, заполненной примерно на две трети водой. В спокойном состоянии воздух собирался в один большой пузырь в середине колбы, а вокруг него была вода (рис.). При взбалтывании воздух разбивался на множество мелких пузырьков, которые затем опять постепенно собирались в один. Объяснить опыт.
13. Приготовить раствор хозяйственного мыла, в который добавить ⅓ глицерина (по объему). Окунув в раствор крестообразно расщепленный конец соломинки, выдуть мыльный пузырь и осторожно опустить его на проволочное кольцо. Затем сверху к пузырю приложить такое же кольцо, смоченное раствором (рис.). Куском раскаленной проволоки проткнуть пузырь в верхней точке. Мыльная пленка внутри верхнего кольца лопнет, внутри нижнего кольца будет плоской, а между кольцами выгнется внутрь. Объяснить причину изменения формы пленки.
14. Подобрать две такие соломинки, чтобы конец одной плотно входил в другую. Выдуть на этих соломинках два мыльных пузыря разных диаметров. Соединить соломинки концами так, чтобы получилась одна целая трубка с мыльными пузырями на концах (рис.). Пузырь с меньшим диаметром будет уменьшаться, а воздух из него перейдет в больший пузырь. Объяснить явление.
15. Приведите примеры использования сил поверхностного натяжения в мире живой природы.
16*. Проект капиллярно-фитильного вечного двигателя (рис.). По предположению изобретателя, вода из нижнего сосуда будет подниматься вверх по обыкновенному фитилю и стекать в верхний сосуд. Выливаясь отсюда, жидкость, попав на колесо, приведет его в движение. А затем из нижнего сосуда она вновь поднимется по фитилю вверх и т. д. Найти ошибку в этом проекте.
17*. На рисунке изображен проект сифонно-капиллярного вечного двигателя. Изобретатель полагал, что вода из верхнего сосуда, перелившись по сифону в нижний, будет возвращаться в верхний по другим трубкам малого диаметра (капиллярным трубкам). В чем ошибка изобретателя?
18*. Осмотический вечный двигатель пытались построить следующим образом. В сосуд с чистой водой погружали трубку, нижнее отверстие которой было затянуто животным пузырем (рис.). Трубку наполняли водным раствором сахара. Вследствие наличия осмоса (давления) уровень раствора в трубке становился значительно выше уровня воды в сосуде, причем, если трубка недостаточно высока, раствор переливался через ее верхний конец.
Изобретатель полагал, что раствор будет переливаться неограниченно долго. Является ли этот прибор вечным двигателем?
19. В колбу вместимостью около 250 см³ налить 50 см³ воды и вставить пробку с пропущенной через нее стеклянной трубкой. Соединить эту трубку с манометром (рис.) И показать, что уровни воды в обоих его коленах стоят на одинаковой высоте. Затем вынуть пробку и бросить в колбу 10 г истолченного хлористого аммония (нашатыря), после чего пробку вставить вновь. Манометр покажет уменьшение давления. Объяснить явление.
Ответы
1. Смазанная солидолом поверхность диска не смачивается водой, и он плавает, так как его поддерживает водная поверхностная пленка.
Примечание. Чтобы показать, что не солидол поддерживает диск, надо погрузить последний ребром в воду, и он утонет.
2. Парафиновый шарик не смачивается водой. Если его положить осторожно на воду, то поверхностная пленка будет поддерживать его и он не утонет.
Когда лежащий на дне сосуда шарик накрывают стаканом, содержащийся в стакане воздух вытесняет воду из пространства, окружающего шарик. Если после этого поднимать стакан, под шариком образуется слой воды, поверхностная пленка которой будет поддерживать шарик и поднимать его по мере поднятия стакана.
3. Тяжелые пары эфира, опускаясь на поверхность воды, уменьшают ее поверхностное натяжение, поэтому поверхностная пленка воды не может удержать сетку под водой.
4. Опустить конец проволоки внутрь флакона, а к другому концу приложить край стакана. Вода будет стекать по проволоке во флакон, потому что поверхностная пленка стекающей воды образует своего рода трубку, которая не дает воде проливаться.
5. Опыт объясняется молекулярным притяжением струй, которое возникает при их сближении.
6. Чернила уменьшают силы поверхностного натяжения в центре поверхностной пленки воды.
Примечание. Для этого опыта использовать прозрачную кювету и показывать опыт в проекции на потолок.
7. В том месте, на которое попадает камфора или мыльный раствор, поверхностное натяжение воды уменьшается, и тогда остальная «неповрежденная» часть поверхностной пленки, сокращаясь, тянет за собой плавающие на поверхности воды фигуры.
8. Движение крупинок камфоры объясняется неравномерным растворением ее в воде, вследствие чего поверхностное натяжение воды изменяется неравномерно: с одной стороны крупинки больше, чем с другой. Масляная пленка мгновенно покрывает поверхность воды и не позволяет раствору камфоры растекаться по ней.
9. Под действием сил поверхностного натяжения пленка сокращается и это вызывает ее движение вверх.
10. Если растягивать резиновую пленку, количество молекул на ее поверхности не меняется, а силы упругости возрастают. При растяжении мыльной пленки молекулы переходят из жидкости на поверхность пленки, число их на поверхности возрастает, а расстояния между ними и силы поверхностного натяжения, действующие на нитяную петлю, остаются прежними.
11. Сахар увеличивает поверхностное натяжение воды. См. ответ к задаче 7.
12. Силы сцепления между молекулами воды и стенками Сосуда больше сил сцепления между молекулами самой воды. Поэтому вода в колбе беспрепятственно поднимается у стенок (в обычных условиях этому мешает сила тяжести) и полностью покрывает внутреннюю поверхность колбы. Воздух при этом оказывается внутри воды.
Силы поверхностного натяжения максимально сокращают свободную поверхность воды, вследствие чего воздушный пузырь стремится приобрести сферическую форму.
Когда воздушные пузырьки собираются в один пузырь, воздух возвращается к устойчивому состоянию, так как при этом свободная Поверхность жидкости становится минимальной.
13. Давление воздуха внутри мыльного пузыря уравновешивает давление мыльной пленки и внешнее атмосферное давление. После прокалывания пузыря давление внутри получившейся фигуры будет равно атмосферному. Следовательно, давление мыльной пленки падает до нуля. Это возможно лишь потому, что в каждой точке между кольцами пленка имеет двойную кривизну, причем радиусы кривизны равны и имеют противоположные знаки. По формуле Лапласа, где α — коэффициент поверхностного натяжения, ее давление равно:
p = α[1/R+(-1/R)] = 0
14. Давление поверхностной пленки пузыря на находящийся в нем воздух, вызываемое силами поверхностного натяжения, тем больше, чем меньше диаметр пузыря.
15. 1. Поверхностная пленка воды играет роль опоры для многих организмов. Например, водяное насекомое — водомерка — опирается на воду только конечными члениками широко расставленных лапок, которые не смачиваются водой. Под ее лапкой поверхностный слой немного прогибается. Водомерка не только скользит по воде, но и делает громадные прыжки, не прорывая поверхностного слоя.
2. Личинка комара подвешивается снизу к поверхностной пленке с помощью особых крючков, окружающих ее органы дыхания. Если Залить поверхность воды тонким слоем нефти, то прочность поверхностного слоя уменьшается, он не может удержать личинку, она тонет и, лишившись возможности дышать, погибает.
16. Силы поверхностного натяжения, вследствие которых жидкость поднимается вверх по капиллярам фитиля, удержат ее от падения с фитиля на дно верхнего сосуда.
17. Жидкость поднимается в капилляре потому, что давление поверхностной пленки под вогнутым мениском меньше, чем в широком сосуде. У сифонно-капиллярного вечного двигателя жидкость поднимается по капилляру до верхнего сосуда, если этот сосуд пустой. Здесь в месте расширения капилляра поверхностная пленка станет плоской, а ее давление на жидкость таким же, как в обычном сосуде. Таким образом, если в верхнем сосуде есть хотя бы небольшой запас жидкости, то капиллярная трубка окажется дополнительным каналом, по которому жидкость будет перетекать из верхнего сосуда в нижний.
18. Нет. Вместо раствора сахара в трубку через пузырь поступает чистая вода. Как только концентрация раствора в сосуде и в трубке станет одинаковой, вода в трубку поступать не будет и прекратится переливание раствора через ее верхний конец.
19. При растворении нашатыря в воде происходит разрушение его кристаллической решетки и распределение молекул по всей массе растворителя, требующее затраты внутренней энергии. Поэтому раствор и воздух над ним охлаждаются, давление воздуха падает, что н фиксирует манометр.