Интерференция в мыльных пузырях реферат
Обновлено: 05.07.2024
Актуальность темы . Мыльные пузыри всегда привлекали и завораживали человека, без мыльных пузырей жизнь на нашей планете была бы скучной. Мне всегда нравилось выдувать мыльные пузыри, а потом их ловить – было одним из самых любимых моих занятий. Однажды я увидела шоу, в котором пузыри выдували огромных размеров и проделывали с ними разные фокусы: надували дымом, брали их в руки, делали из них гирлянды, помещали внутрь пузырей различные предметы и даже людей!
Неужели это возможно с обычными мыльными пузырями? А я сумею сделать подобные фокусы? Раньше я пользовалась наборами для выдувания мыльных пузырей, которые были куплены в магазинах, а изготовить, например, самой раствор или провести с ними различные эксперименты я никогда не пробовала. И я решила провести исследование.
Проблема исследования: как изготовить раствор для мыльных пузырей.
Цель исследования: изготовить раствор для мыльных пузырей.
Задачи исследования:
1. Собрать и обобщить материал по проблеме исследования.
2. Выяснить, что такое мыльный пузырь.
3. Изучить историю возникновения мыльных пузырей.
4. Рассмотреть физические и химические свойства мыльных пузырей.
5. Определить состав раствора для мыльных пузырей .
Объект исследования: растворымыльных пузырей.
Предмет исследования: состав растворов мыльных пузырей.
Практическая значимость: материалы проекта могут быть использованы на уроках и внеурочной деятельности по физике, в развлекательных целях.
Методы исследования:
1. Теоретические: изучение и обобщение собранной информации, анализ.
2. Эмпирические: эксперимент.
Гипотеза исследования: в домашних условиях можно приготовить раствор для мыльных пузырей.
Глава I . Теоретическая часть
Что такое мыльный пузырь
Мыльный пузырь – тонкая многослойная плёнка мыльной воды, наполненная воздухом, обычно в виде сферыс переливчатой поверхностью. 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 .
Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение , которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного . Однако пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества , например, мыло. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле оно делает как раз обратное: уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение .
Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. В дополнение к этому, мыло предохраняет воду от испарения, тем самым делая время жизни пузыря ещё больше.
Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения . Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако,если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
Цвет также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с пленкой пузыря. Если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы все равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз.
Таким образом, мыльный пузырь – это тонкая пленка мыльной воды, которая формирует сферу с переливчатой поверхностью. Когда и где точно появились мыльные пузыри и по сей день остается загадкой.
История возникновения мыльного пузыря
Маленький фирменный флакончик мыльных пузырей позволял надувать огромное количество радужных шаров. К сожалению, мыльные пузыри, сделанные собственноручно из жидкости с шампунем и прочими пенообразующими веществами не получались такими стойкими. В чем секрет? Все очень просто. Нужно в определенной пропорции к очищенной воде добавить шампунь и глицерин. ТимКехоэ потратил десять лет своей жизни на изобретение цветных мыльных пузырей (желтых, синих, красных). Самое интересное, что через некоторое время пузыри из цветных превращаются в прозрачные бесцветные и не оставляют пятен на одежде и предметах. Такие пузыри выпускает компания ZBubbles.
Выдуванием мыльных пузырей занимались еще в древности. Например, при раскопках античных терм в Помпеях под слоями пепла, извергнутого Везувием, археологи обнаружили необычные фрески, которые изображали детей, играющих с мыльными пузырями.Также в Китае найдены старинные папирусы, на них были изображены несколько людей, которые выдували мыльные пузыри из трубочек, сделанных из глины.
В ХIX веке люди приспособились делать мыльные пузыри более просто. После стирки мыльную воду использовали для игр детей.
Таким образом, история мыльных пузырей не закончилась, в ХХI веке – веке технического прогресса надувание мыльных пузырей стало автоматическим. Мыльные пузыри обычно недолговечны, существуют лишь несколько секунд и лопаются при соприкосновении с какой-либо поверхностью или самопроизвольно.
Физические свойства мыльного пузыря
Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение , которое делает поведение поверхности похожим на поведение эластичной пленки, например, резиновой. Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь ПАВ (поверхностно-активные вещества), например, мыло. Мыла или ПАВ снижают поверхностное натяжение воды в 2-4 раза. Под действием движения воздуха шарообразная поверхность мыльного пузыря искажается, хотя его объем – сохраняется прежним. Искажение поверхности приводит к росту площади мыльной пленки, она в некоторых местах растягивается. Концентрация молекул ПАВ на поверхности пленки в местах растяжения снижается, а поверхностное натяжение – растет. Возникает движение раствора в пленке, стабилизирующее пузырь – обратная связь, увеличивающая устойчивость мыльного пузыря.
Причина этому – силы поверхностного натяжения жидкости. Они возникают между частицами воды. Частицы воды или другой жидкости притягиваясь, друг к другу, стремятся сблизиться. Каждая частица на поверхности притягивается остальными частицами, находящимися внутри жидкости, и поэтому устремляются друг к другу.
Именно за счет поверхностного натяжения получается сферическая форма пузыря. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако, если оставить пузырь, свободно парить в воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности, наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух отражений.
По мере того, как пленка становится тоньше из-за испарения воды, можно наблюдать изменение цвета пузыря. Более толстая пленка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отраженного света сине-зеленым. Более тонкая пленка убирает желтый (оставляя синий свет), затем зеленый (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-желтый).
Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с пленкой пузыря. И даже если бы толщина стенки была везде одинаковой, мы бы все равно наблюдали различные цвета из-за движения пузыря. Но толщина пузыря постоянно меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, двигающиеся сверху вниз.
Некоторые ученые всячески консервировали мыльные пузыри, храня их на протяжении нескольких суток и даже месяцев, но какой бы продолжительной не была жизнь мыльного пузыря, рано или поздно он все равно лопается. Задумывались ли вы над тем, как это происходит? Вначале нижняя часть пузыря будет утолщаться, а центральная верхняя – утончаться. Это отчетливо видно по потокам жидкости, меняющим пятнистую окраску пузыря. В какой-то момент пузырь лопнет. Нам кажется, что это мгновенное действие, но на самом деле мы видим лишь заключительную стадию – пузырь превращается в совокупность капель, расположенных по периметру. Как правило, очаг разрушения оказывается в верхнем, самом тонком месте пленки.
К физическим свойствам относят устойчивость, сферическую форму, интерференцию и разрушение.
Химические свойства мыльных пузырей
Вещества, уменьшающие поверхностное натяжение воды , например, жидкое мыло или жидкость для мытья посуды. Мыло для мыльных пузырей годится не всякое. Самая плохая мыльная вода получается из лучших сортов туалетного мыла. Так что мыло нужно брать хозяйственное. Самое подходящее для пускания пузырей так называемое 72-процентное, светлое. Хорошо и 70-процентное мыло. Чем более чистое мыло (без примесей парфюма или других добавок), тем лучший результат может получиться.
Состав средства для мытья посуды Fairy:
- лауретсульфат натрия (анионное ПАВ); C 12 +2nH 25 +4nNaO 4 +nS
-оксид лаурамина (неионогенное ПАВ ); C 14 H 31 NO
-феноксиэтанол (консервант); C 8 H 10 O 2
Вещества, уплотняющие воду . Наиболее часто используется глицерин (который можно купить в аптеке). Также можно использовать сахар, который лучше растворять в теплой воде. Однако плотность воды может стать слишком большой, поэтому важно соблюдать умеренность.
Глицерин – это бесцветная, вязкая, сиропообразная жидкость, сладкая на вкус. Не ядовит. Глицерин не имеет запаха. Химическая формула C 3 H 8 O 3 .
В настоящее время глицерин получают синтетическим путем из пропилена (C 3 H 6 ), образующегося при крекинге нефти. При этом используют разные пути превращения пропилена в глицерин. Наиболее перспективный способ – окисление пропилена кислородом воздуха в присутствии катализатора и при высокой температуре (kat = Cu, t= 370 0 С).
Вода должна быть мягкой . Вода из-под крана содержит много солей, из-за чего пузыри получаются хрупкими и быстро лопаются. При использовании дистиллированной воды влияние данного эффекта на качество мыльного пузыря значительно ниже. Если нет дистиллированной воды, можно использовать дождевую или талую воду. Либо можно использовать прокипяченную очищенную воду.
Помимо прочего, в воде присутствуют и растворенные органические вещества. К ним относятся: углеводы, органические кислоты, фенолы, альдегиды, спирты, ароматические соединения, эфиры.
В химический состав воды, помимо перечисленных, входят еще и токсичные соединения и вещества – нефтепродукты, тяжелые металлы, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), хлорорганические пестициды, фенолы.
При хранении готовых растворов тоже необходимо учитывать следующее обстоятельство: приготовленные растворы лучше хранить в емкостях с крышками, т.к. растворы ПАВ на открытом воздухе постепенно теряют воду, их концентрация растет, и пузыри могут стать неустойчивыми.
Таким образом, готовых рецептов жидкостей для получения устойчивых мыльных пузырей в литературе нет, каждый, кто показывает опыты, имеет свою рецептуру и держит ее в секрете. Хотя основные элементы известны. Можно, конечно купить раствор в магазине, но это неинтересно, лучше сделать самим. Поэтому нам тоже пришлось подбирать мыльный раствор экспериментальным путем.
II . Практическая часть
2.1. Изготовление раствора для мыльного пузыря
Для приготовления раствора мыльных пузырей, надо знать немало хитростей. В состав раствора для выдувания мыльных пузырей должны входить:
Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?
Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?
Калейдоскоп цветов, которыми переливаются мыльные пузыри, вызывается сложной структурой света и тем, как он отражается от поверхности пузырей. Белый свет состоит из множества цветов, каждый из которых характеризуется собственной длиной волны (на рисунке справа показаны в виде волн с чередующимися гребнями и впадинами).
Когда свет падает на поверхность, мыльного пузыря, часть световых волн сразу же отражается. Часть остальных проходит через стенку пузыря, преломляется в ней и затем отражается от внутренней поверхности. Когда эти волны встречаются с волнами, отраженными от внешней поверхности, их гребни и впадины не всегда выстраиваются одинаково. Если гребни и впадины совпадают, волны усиливают друг друга. Если гребни и впадины не совпадают, волны ослабляют друг друга в явлении, называющемся интерференцией волн. В результате на мыльной пленке появляется радуга, поскольку переменная толщина пленки приводит к образованию интерференционных узоров и отражению света в виде лучей различного цвета с собственной длиной волны.
Спектр белого света
Когда белый свет проходит через призму (рисунок над текстом), происходит его разложение на семь основных цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Волны с меньшей длиной преломляются под большими углами, чем более длинные. Фиолетовые лучи, имеющие самую меньшую длину волны, отклоняются сильнее всего, в то время как красные, имеющие наибольшую длину волны, отклоняются слабее других.
Интерференция на нефтяной пленке
На нефтяной пленке появляются цветные узоры.
На тонкой нефтяной пленке цвета образуются в результате интерференции света в зависимости от толщины пленки и угла, под которым свет на нее падает (рисунок внизу). Черный цвет появляется там, где световые волны полностью гасят друг друга.
Интерференция в мыльном пузыре
Хотя верхняя часть мыльного пузыря имеет практически постоянную толщину, кривизна его поверхности вызывает интерференцию в каждой точке. Совпадающие гребни волн усиливают друг друга (левый рисунок); волны в противофазе (правый рисунок) друг друга гасят.
Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему мыльные пузыри переливаются всеми цветами радуги?
Популярные материалы из данной категории:
Как работает генератор переменного тока?
Генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки
Что такое полупроводник?
Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник,…
Как работает тепловая электростанция (ТЭЦ)?
У этой паровой турбины хорошо видны лопатки рабочих колес. Тепловая электростанция (ТЭЦ) использует энергию, высвобождающуюся при сжигании органического топлива — угля, нефти и природного газа — для превращения воды в пар высокого давления. Этот пар, имеющий…
Почему в горах вода закипает быстрее?
Вода, нагретая на уровне моря до 100°С (212°F), начинает кипеть. Это означает, что внутри объема жидкости происходит образование пузырьков водяного пара и подъем их к поверхности. Вода закипает, потому что при данной температуре давление насыщения водяного…
Схема строения тонкой пленки, укрепленной поверхностно-активными молекулами мыла. Элементарная теория разрушения мыльного пузыря. Распространение света и оптические явления в пленке. Кристаллизационные процессы в пузыре при постепенном замерзании.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.04.2015 |
| Размер файла | 745,5 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Теория мыльных пузырей
Физические явления. Внутреннее устройство мыльного пузыря
Благодаря поверхностной активности ПАВ понижают поверхностное натяжение воды. Прямыми измерениями было установлено, что адсорбция мыла на поверхности воды понижает ее поверхностное натяжение в два с половиной раза: от 7*10 -2 до 3*10 -2 Дж/м 2
Стенка мыльного пузыря трехслойна: два внешних слоя мыла с глицерином разделены подвижной водной перегородкой, по которой они плавают. Глицерин добавляют для увеличения полярности длинных молекул растворителя. В результате в двойной мыльной пленке все водолюбивые хвосты молекулы мыла ориентированы внутрь пленки, водоотталкивающие - наружу. Собственно, по этой причине мыло и удаляет грязь - остатки органического и неорганического происхождения. Молекулы мыла со всех сторон облепляют частицы грязи гидрофобными хвостами внутрь, образуя так называемую мицеллу - растворимую в воде оболочку вокруг нерастворимого кусочка грязи. Избыток соли в растворе нарушает образование мицелл. Вот почему невозможно качественно помыться в морской воде, и пузыри из соленой воды не получаются.
Рис. Так схематически выглядит строение мыльной пленки, укрепленной поверхностно-активными молекулами мыла
Итак, вследствие адсорбции мыла на поверхности воды образуется частокол удлиненных молекул. На поверхность они всплывают из объема. Что происходит с мыльной пленкой, ограничивающей пузырь, когда он раздувается? Ясно, что пленка растягивается. При этом частокол расположенных на его поверхности молекул мыла должен бы редеть, и могли бы появиться островки, свободные от адсорбированных молекул. Этого, однако, не происходит, так как скорость адсорбции велика и вслед за растяжением пленки на ее поверхность будут выходить молекулы мыла, достраивая частокол. Когда же все молекулы ПАВ выйдут из объема растягиваемой пленки на ее поверхность, дальнейшее растяжение пленки будет приводить к понижению заселенности ее поверхности молекулами мыла. мыльный пузырь оптическое кристаллизационный
Элементарная теория разрушения пузыря
После того, как пузырь достигнет предельного размера, его жизнеспособность с ростом радиуса будет быстро убывать, и "раздувшаяся смесь воды и мыла" лопнет. Лопнуть пузырь может и по многим другим причинам: из-за тяжести водяной капли, образовавшейся в низу пузыря, его может порвать поток воздуха, его может проколоть пылинка, случайно осевшая на поверхность пузыря. Построить теорию разрушения пузыря, учитывающую все угрозы его жизни невозможно, т. к и угроз много, и так же много способов их осуществления. Но если задачу сузить и интересоваться лишь одной из возможных угроз, можно построить элементарную теорию разрушения пузыря. Допустим, что гибель пузыря наступила из-за того, что на его поверхность села пылинка и проколола пленку пузыря, образовав в нем пробоину. Значит, гибель пузыря окажется тем вероятнее, и, следовательно, длительность его жизни будет тем меньше, чем больше поверхность пузыря. Если оседание пылинки происходит случайно, то вероятность ее оседания на поверхность пузыря должна быть пропорциональной площади этой поверхности:
S = 4р R 2 .
Практика показывает, что приближенно этот закон выполняется.
Теперь попробуем описать случай, когда пузырь случайно проколот. Выясним условия, при которых пробоина, возникшая в том месте, где он проколот, будет действительно гибельной. Для этого нужно представить себе боковую поверхность пробоины. Она непроста и имеет форму кругового цилиндра, боковая поверхность которого изогнута так, как это показано на рисунке. Такую поверхность следует характеризовать двумя радиусами кривизны: r и R/2. Каждый из радиусов определяет лапласовские давления, из которых одно
Р>= 2б/h
способствует расширению, а другое
Р и Р > P h/2. Если, например, h = 10 -7 м, то появление пробоины радиусом r > 5* 10 -8 м означает гибель пузыря.
Оптика мыльного пузыря
Нам известно, что распространение света - процесс волновой и что распространяющаяся монохроматическая волна имеет определенную длину волны л0. Известно также, что световой луч отражается от поверхности раздела двух сред, а проходя сквозь эту границу, он преломляется. А еще известно, что так называемый "белый свет" является смесью разноцветных монохроматических лучей - от красного до фиолетового. Длина волны красного луча больше, чем фиолетового луча. И наконец, известно, что при переходе из пустоты в вещество пленки, длина волны л0 изменяется, становится равной лв,. Величина n называется показателем преломления:
Теперь направим под некоторым углом i на поверхность тонкой пленки толщиной h монохроматический свет, длина волны которого л0. Произойдет вот что: луч света частично отразится от поверхности пленки, а частично, преломившись под углом r, войдет в ее объем. На нижней поверхности пленки произойдет то же самое: преломление и отражение. Отраженный луч вернется к верхней поверхности, отразится и преломится, и какая-то доля его выйдет из пленки, где встретится с одним из лучей падающего первичного пучка. Произойдет это в точке С. Точка эта, в основном, нас и интересует.
Рис. Схема к объяснению интерференции света в тонкой пленке
В точке С встречаются два луча, рожденные одним источником, но прошедшие разные пути. О таких лучах говорят "когерентные". Их отличительная особенность состоит в том, что разность фаз колебаний остается неизменной. Характер взаимодействия этих лучей в точке С определяется разностью путей, пройденных ими до прихода в эту точку. Эта разность путей называется оптической разностью хода. Из очень несложного расчета, выполненного с помощью приведенного рисунка и определения
n = sin i /sin r
Д = 2hn cos r.
Мы подошли к самому существенному достижению Томаса Юнга. Он обратил внимание на то, что при выполнении условия:
Д = 2kл0,
(k - целое число) могут иметь место два существенно различных эффекта: если k - четное число, волны усилят друг друга, а если нечетное - ослабят, точнее говоря, погасят друг друга.
Основываясь на формуле, определяющей Д, мы можем очень многое понять в том, что называется "оптикой мыльного пузыря". В формуле при данном значении n воедино связаны длина волны света л0, толщина пленки h и угол r, а следовательно, и угол падения пучка на пленку i. Предположим, что на поверхность пузыря, образованного пленкой постоянной толщины, падает пучок белого света и различные участки поверхности пузыря пучок встречает под различными углами. Это означает, что в условия, при которых отраженный луч усиливается, будут попадать лучи с различной длиной волны, и различные участки пузыря будут отсвечивать различными цветами радуги: "лиловый, красный, синий, зеленый, желтый цвет". Это может произойти и по другой причине: различные участки пленки пузыря со временем меняют свою толщину (теперь уже меняется h), и именно поэтому "то в нем синеет море, то в нем горит пожар". Если приглядеться к мыльному пузырю, можно отчетливо увидеть потоки жидкости, меняющие его окраску.
Рис. Схема, поясняющая появление "черных пятен" в расцветке тонкой пленки
Чтобы закончить рассказ об оптике мыльного пузыря, обязательно надо сказать о черных полосах и пятнах в окраске пузыря. Они особенно отчетливо видны, когда пузырю осталось жить всего несколько мгновений.
Попытаемся понять физическую причину появления черных пятен, вспомнив о том, что, обсуждая оптическую разность хода лучей в тонкой пленке Д, мы умолчали об одной детали во взаимодействии света с пленкой. Эта деталь не очень существенна, когда пленка толста (h > л0), и не допускает пренебрежения собой, когда пленка тонка (h " л0). Дело в том, что, как оказывается, отражение луча от границ воздух - пленка и пленка - воздух происходит так, что оптическая разность хода при этом скачком изменяется на половину длины волны. В соответствующем разделе теоретической оптики это обстоятельство доказывается математически строго. Известны, однако, совсем простые рассуждения английского физика Джорджа Стокса, отчетливо объясняющие это явление. Приведем его рассуждения. Если направление распространения луча, отраженного от границы воздух - пленка (ВО), и луча, преломленного в ней (ВС), обратить, они должны образовать луч (ВА), равный по интенсивности и направленный противоположно первичному лучу (АВ). Это утверждение справедливо, оно попросту отражает закон сохранения энергии. Обращенные лучи СВ и ОВ, вообще говоря, могли бы образовывать еще луч (ВЕ). Он, однако, отсутствует, это -экспериментальный факт. Следовательно, в его создание лучи СВ и ОВ вносят вклады в виде лучей, которые равны по интенсивности, но смещены по отношению друг к другу на половину длины волны и поэтому гасят друг друга. Если к сказанному добавить, что один из этих лучей испытывал отражение от границы воздух - пленка, а другой от границы пленка - воздух, то станет ясно, что дополнительный скачок:
Д = л0 /2
при отражении от границ между воздухом и пленкой происходит.
Возвратимся к черным пятнам и полосам. Если толщина пленки настолько мала, что оптическая разность хода, вычисленная без учета потери полуволны при отражении от границы воздух - пленка, оказывается малой по сравнению с длиной волны, то интерференция будет определяться только тем, что лучи смещены на половину длины волны, т. е. они будут гасить друг друга. А это означает, что возникает черная окраска пленки. Всю логику рассказа о черных пятнах на мыльном пузыре можно бы обратить и утверждать следующее. Черная окраска очень тонких пленок - это факт. А, следовательно, при отражении двух лучей от границ воздух - пленка и пленка - воздух между ними должна возникать дополнительная оптическая разность хода, равная половине длины волны. Это путь не от логики к эксперименту, а от эксперимента к логике. Оба пути законны и дополняют друг друга.
Кристаллизация мыльного пузыря
Вращение. Оказывается, пузырь, кристаллизующийся на соломинке, вращается. То есть, и некристаллизующийся тоже вращается, но когда пузырь вращается в процессе кристаллизации и останавливается, примерзая к трубке, это особенно наглядно.Вращение пузыря можно объяснить так. В объеме пузыря из-за разности температур между различными участками его поверхности возникают внутренние воздушные потоки. Воздушная струя встречает поверхность пузыря под каким-то произвольным углом, а это означает, что должна возникнуть сила, поворачивающая пузырь. И направление потоков, и их расположение в объеме пузыря со временем меняются, а поэтому меняются и скорость, и направление его вращения.
Постепенность замерзания. Впрочем, вращение - это не самое интересное наблюдение. Значительно интереснее следить за тем, как зарождаются и растут кристаллики в объеме пленки, образующей пузырь. Этот процесс напоминает развитие зимних узоров на запотевшем стекле. Собственно, это и есть тот же самый процесс : кристаллизация жидкой пленки. В начале процесса видны кристаллики - подобие снежинок. А затем отчетливо проявляются контуры растущих ледяных деревьев, переплетающихся ветвями. Ветви утолщаются, расширяются и закрывают собой все зазоры между ними. А в ином месте можно усмотреть контур лепестка розы. Фотографии прилагаются
Механические свойства. Теперь рассмотрим механические свойства закристаллизовавшейся пленки пузыря.
Во-первых, пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Если дать возможность мыльному закристаллизовавшемуся пузырю упасть на пол, он не разобьется, не превратится в звенящие осколки, как стеклянный шарик, каким украшают елку. На нем появятся вмятины, отдельные обломки закрутятся в трубочки. Пленка оказывается не хрупкой, она обнаруживает пластичность. Больше всего замерзший мыльный пузырь похож на целлофановый пакет.
Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины. Это можно разъяснить следующим образом. По толщине тонкой поликристаллической пленки располагается, как правило, лишь одно зерно (монокристаллик). При действии на такую пленку деформирующих усилий каждое из составляющих ее зерен может почти беспрепятственно скользить относительно соседей, обусловливая, таким образом, ее пластичность. В нашем случае этот механизм может оказаться очень существенным, т. к вдоль границ между соседними зернами могут находиться тонкие жидкоподобные прослойки, обогащенные молекулами мыла, которые, как известно, понижают температуру кристаллизации воды. Такие прослойки облегчают взаимное скольжение зерен.
Кроме того, пленка, образующая закристаллизовавшийся пузырь, обнаруживает немалую прочность. Действительно, воздух, находящийся в объеме пузыря, градусов на 50 холоднее того, который мы вдохнули, раздувая пузырь. Это значит, что, когда воздух остывал, давление в объеме пузыря падало. А когда весь воздух остынет, пленка пузыря окажется под сжимающим давлением
Рc=P0- Р1 = Р0Т1/Т0,
где Р 0=10 5 Па - давление в жидком пузыре, которое практически совпадает с атмосферным давлением, Т 0=310К -начальная температура выдохнутого нами воздуха в жидком пузыре, Т 1 =260 К -температура воздуха в пузыре после его кристаллизации,
ДТ = Т0- Т1.
Таким образом, Рc =1,7*10 4 Па. Закристаллизовавшийся сферический пузырь должен выдерживать сжимающее давление, близкое 0,2 атмосферного, если пузырь остывал, будучи замкнутым, и его пленка была герметична.
Вмятина. Вынесем баночку с мыльным раствором на сильный мороз (- 2 5 ? С) и выдуем пузырь. Сразу же в разных точках поверхности возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и наконец сливаются. Как только пузырь полностью замерзнет, в его верхней части, вблизи конца трубки, образуется вмятина.Воздух в пузыре и оболочка пузыря оказываются более охлажденными в нижней части, так как в вершине пузыря находится менее охлажденная трубка. Кристаллизация распространяется снизу-вверх. Менее охлажденная и более тонкая (из-за отекания раствора) верхняя часть оболочки пузыря под действием атмосферного давления прогибается. Чем сильнее охлаждается воздух внутри пузыря, тем больше становится вмятина.
Таким образом, на примере мыльного пузыря мы рассмотрели и обосновали ряд физических явлений пузыря.
Фотографии сделаны последовательно с одного и того же пузыря на сильном морозе и отображают характер замерзания. Видно, что замерзание пузыря начинается снизу, можно заметить вращение пузыря и после замерзания всей оболочки в верхней части начинает образовываться вмятина.
Еще три фотографии для иллюстрации постепенности замерзания.
На снимках отчетливо видна пластичность оболочки замерзшего пузыря и образование вмятины в его верхней части. Разрушенный замерзший пузырь (на синем фоне).
Рис. Морозные узоры на стенках пузыря
Подобные документы
Тонкая многослойная пленка мыльной воды, наполненная воздухом. Строение мыльного пузыря. Как делать и как лопается мыльный пузырь. Потоки воздуха и надувание пузыря. Сферическая форма пузыря и поверхностное натяжение. Замерзание мыльного пузыря.
презентация [331,7 K], добавлен 18.12.2011
Явления, связанные с преломлением, дисперсией и интерференцией света. Миражи дальнего видения. Дифракционная теория радуги. Образование гало. Эффект "бриллиантовая пыль". Явление "Брокенское видение". Наблюдение на небе паргелии, венцы, полярное сияние.
презентация [2,5 M], добавлен 14.01.2014
Что такое оптика? Ее виды и роль в развитии современной физики. Явления, связанные с отражением света. Зависимость коэффициента отражения от угла падения света. Защитные стёкла. Явления, связанные с преломлением света. Радуга, мираж, полярные сияния.
реферат [3,1 M], добавлен 01.06.2010
Энергетическая теория прочности Гриффитса. Растяжение и сжатие как одноосные воздействия нагрузки. Деформированное состояние в стержне. Зависимость компонентов тензора напряжения от ориентации осей. Теория Ирвина и Орована для квазехрупкого разрушения.
курс лекций [949,8 K], добавлен 12.12.2011
История выяснения причины голубого цвета неба: теория древних греков; гипотезы Гете, Ньютона. Ошибочность Рэлеевской теории рассеяния света на тепловых колебаниях газовой оболочки планеты. Молекулярное рассеяние света: теория опалесценции Смолуховского.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Выберите документ из архива для просмотра:
Выбранный для просмотра документ Интерференция света на мыльных пузырях.pptx
Описание презентации по отдельным слайдам:
Цель работы: сделать радужный окрас пузырей более насыщенным; определить компонент растворов, который отвечает за это. Объект исследования: раствор для мыльных пузырей. Предмет исследования: мыльный пузырь. Задачи: Изучить интерференцию света на примере радужной оболочки мыльных пузырей путем подбора разной концентрации растворов; изучить соответствующую литературу. Методы исследования: изменение состава раствора мыльных пузырей, для выявления ингредиента ответственного за преломление света. Используемое оборудование: лабораторная посуда, форма для изготовления мыльных пузырей, глицерин, средство для мытья посуды, дистиллированная вода.
Структура стенки мыльного пузыря представляет собой трехслойную тонкую пленку. Между двумя слоями мыльных компонентов находится вода. При таком строении стенок мыльного пузыря свет, как от зеркала, отражается от внешнего и внутренних слоев, лучи света перемешиваются и в результате мы наблюдаем радужные переливы на поверхности пузыря. Верхние и нижние слои защищают пузырь от внешнего воздействия и не дают воде испариться.
Каждый слой состоит из разных веществ, которые отражают и преломляют свет они по-разному. Такое явление называется интерференцией. Явление интерференции света можно наблюдать только в тонких пленках, толщина которых сравнима с длиной волны падающего на них света (но обязательно больше неё). Ведь свет - это сумма излучений с разной длиной волны. При прохождении через толстую пленку различия в прохождении лучей будут самые разные, и отражающиеся лучи просто "размажутся". Но и в толстых пленках можно наблюдать интерференцию. Для этого источник света должен быть монохроматическим.
Радужные цвета мыльных пузырей получаются за счет интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной пленки. Накладываясь друг на друга, все эти причины создают постоянно движущиеся цветные переливы, которыми можно было бы долго любоваться, не будь они так скоротечны, ведь жизнь мыльного пузыря очень коротка. Иными словами, чем плотнее раствор, тем насыщеннее переливы на поверхности пузыря.
Так как на пузырь действуют и другие силы, в конце концов, радужная окраска пропадает и на верхушке пузыря появляется черный цвет. Это происходит из-за утончения стенки мыльного пузыря. И мыльный пузырь лопается. Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества.
Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
Изготовление и изменение концентрации раствора состоящего из следующих компонентов: Время существования такого пузыря составляет 3 секунды. средство для мытья посуды -100 мл; дистиллированная вода - 200 мл; глицерин - 20 мл.
Если увеличить концентрацию глицерина и средства для мытья посуды на 25%, то получатся уже более прочные пузыри, имеющие переливающуюся радужную окраску. Время существования таких пузырей также изменится и составит от 5 до 10 секунд.
Если же увеличить концентрацию этих веществ на 50%, то получится вязкий раствор. Мыльные пузыри из него плохо выдуваются, но имеют более радужную оболочку. Лопаются сразу же.
Радужные переливы, несомненно, красивы и обладают завораживающим эффектом, но они представляют настоящую угрозу для экологии. Появление радужной пленки на водоемах свидетельствует об утечке нефтяных продуктов. Чем больше площадь распространения, тем больший урон она может нанести экосистеме данной местности.
Спасибо за внимание!
Выбранный для просмотра документ Интерференция света на примере мыльных пузырей.docx
Интерференция света на примере мыльных пузырей
Янышаева Ксения, ученица5а класса,
Кашавгалиева С.К., учитель физики
Научный руководитель: Кашавгалиева С.К., учитель физики.
Цель работы: сделать радужный окрас пузырей более насыщенным; определить компонент растворов, который отвечает за это.
Задачи: изучить интерференцию света на примере радужной оболочки мыльных пузырей путем подбора разной концентрации растворов;
изучить соответствующую литературу.
Объект исследования: раствор для мыльных пузырей.
Предмет исследования: мыльный пузырь.
Методы исследования: изменение состава раствора мыльных пузырей, для выявления ингредиента ответственного за преломление света.
Используемое оборудование: лабораторная посуда, форма для изготовления мыльных пузырей, глицерин, дистиллированная вода, средство для мытья посуды.
Никто точно не знает, когда появились мыльные пузыри, но самые древними доказательствами увлечениями мыльными пузырями, считаются настенные рисунки детей, которые надувают пузыри в древнеримском городе Помпеи.
Структура стенки мыльного пузыря представляет собой трехслойную тонкую пленку (рис.1). Между двумя слоями мыльных компонентов находится вода. Верхние и нижние слои защищают пузырь от внешнего воздействия и не дают воде испариться. При таком строении стенок мыльного пузыря свет, как от зеркала, отражается от внешнего и внутренних слоев (рис.2), лучи света перемешиваются и в результате мы наблюдаем радужные переливы на поверхности пузыря. Каждый слой состоит из разных веществ, которые отражают и преломляют свет по-разному. Такое явление называется интерференцией. Явление интерференции света можно наблюдать только в тонких пленках, толщина которых сравнима с длиной волны падающего на них света (но обязательно больше неё). Ведь свет - это сумма излучений с разной длиной волны. При прохождении через толстую пленку различия в прохождении лучей будут самые разные, и отражающиеся лучи просто "размажутся". Нои в толстых пленках интерференцию наблюдать все же можно - для этого источник света должен быть монохроматическим.
Радужные цвета мыльных пузырей получаются за счет интерференции световых волн и определяются толщиной мыльной пленки. Иными словами, чем плотнее раствор, тем насыщеннее переливы на поверхности пузыря. Накладываясь друг на друга, все эти причины создают постоянно движущиеся цветные переливы, которыми можно было бы долго любоваться, не будь они так скоротечны, ведь жизнь мыльного пузыря очень коротка. Так как на пузырь действуют и другие силы, в конце концов, радужная окраска пропадает и на верхушке пузыря появляется черный цвет. Это происходит из-за утончения стенки мыльного пузыря. И мыльный пузырь лопается.
Пузырь существует потому, что поверхность любой жидкости (в данном случае воды) имеет некоторое поверхностное натяжение, которое делает поведение поверхности похожим на поведение чего-нибудь эластичного. Однако пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют какие-нибудь поверхностно-активные вещества, например, мыло. Распространённое заблуждение состоит в том, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. На самом деле оно делает как раз обратное: уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная плёнка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря, не давая им растягиваться дальше. Сферическая форма пузыря также получается за счёт поверхностного натяжения. Силы натяжения формируют сферу потому, что сфера имеет наименьшую площадь поверхности при данном объёме. Эта форма может быть существенно искажена потоками воздуха и самим процессом надувания пузыря. Однако если оставить пузырь плавать в спокойном воздухе, его форма очень скоро станет близкой к сферической.
За основу мыльных пузырей я взяла раствор, состоящий из следующих компонентов: средство для мытья посуды - 100 мл; дистиллированная вода - 200 мл; глицерин - 20 мл.
Такими получились мыльные пузыри из этого раствора (рис.3). Время существования такого пузыря составляет 2 - 3 секунды.
Если увеличить концентрацию глицерина и средства для мытья посуды на 25%, то получатся уже более прочные пузыри, имеющие переливающуюся радужную окраску (рис.4).Время существования такого пузыря также изменится и составит от 5 до 8 секунд.
Если же увеличить концентрацию этих веществ на 50%, то получится вязкий раствор и мыльные пузыри из него плохо выдуваются, но имеют более радужную оболочку (рис.5).Лопаются сразу же.
Данные, полученные в ходе опыта, занесены в таблицу №1.Фотографии представлены в приложении №2.
Радужные переливы, несомненно, красивы и обладают завораживающим эффектом, но они представляют настоящую угрозу для экологии. Появление радужной пленки на водоемах свидетельствует об утечке нефтяных продуктов. И чем больше площадь распространения, тем больший урон она может нанести экосистеме данной местности.
Список литературы:
Чарльз Бойз. Мыльные пузыри /Науку – всем! Шедевры научно-популярной литературы (физика). Выпуск №113 – М: ЛЕНАНД, 2016,Изд. 3-е. – 128 с.
Тит Том Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения/ Пер. с франц. – М.: Издательский Дом Мещерякова, 2007, 2-е издание – 224 с.
В нем столько блеску было,
Была такая спесь!
А он - воды и мыла
В настоящее время трудно точно сказать, когда люди впервые обратили своё внимание на поведение в природе мыльных пузырей. День рождения мыльного пузыря и по сей день остаётся загадкой. Но доподлинно известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев, выдувающих мыльные пузыри.
Так ли прост мыльный пузырь, как кажется с первого взгляда? Как исследовать объект, которого как бы и нет? На эти и другие вопросы мы ответим в нашей работе.
Цель: изучение мыльного пузыря как физического тела.
1. Проанализировать информацию по данному вопросу и исследовать физические и математические свойства мыльного пузыря.
2. Продемонстрировать невероятные свойства мыльного пузыря.
3. Подготовить материал для демонстрации на уроках физики, математики и во внеклассной работе.
Объект исследования: мыльный раствор
Предмет исследования: мыльный пузырь
Методы исследования: теоретические и практические (моделирование, экспериментальный)
Гипотеза: мыльный пузырь - основа для изучения многих природных явлений и законов.
Что такое мыльный пузырь
Шарообразная форма мыльного пузыря объясняется стремлением мыльной пленки сократиться до наименьших размеров. Такой формой является сфера, при этом давление внутри пузыря оказывается больше атмосферного. Избыточное давление обусловлено тем, что мыльная пленка, стремясь еще больше уменьшить свою поверхность, сдавливает воздух внутри пузыря, причем, чем меньше его радиус, тем большим оказывается избыточное давление внутри пузыря.
Интерференция света в тонких пленках
Когда свет проходит сквозь тонкую плёнку пузыря, часть его отражается от внешней поверхности, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности. Сначала плёнка бесцветная, так как имеет приблизительно равную толщину. Затем раствор постепенно стекает вниз. Из-за разной толщины нижней утолщённой и верхней утончённой плёнки появляется радужная окраска Более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая пленка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый) (рис.2).
Математика мыльного пузыря
Мыльные пузыри являются физической иллюстрацией проблемы минимальной поверхности, сложной математической задачи. Несмотря на то, что с 1884 года известно, что мыльный пузырь имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме, только в 2000 году было доказано, что два объединённых пузыря также имеют минимальную площадь поверхности при заданном объединённом объёме. Эта задача была названа теоремой двойного пузыря. С появлением геометрической теории меры удалось доказать, что оптимальная поверхность будет кусочно-гладкой, а не бесконечно изломанной. Когда два пузыря соединяются, они принимают форму с наименьшей возможной площадью поверхности. Их общая стенка будет выпячиваться внутрь большего пузыря, так как меньший пузырь имеет большую среднюю кривизну и большее внутреннее давление. Если пузыри одинакового размера, их общая стенка будет плоской. Правила, которым подчиняются пузыри при соединении, были экспериментально установлены в XIX веке бельгийским физиком Жозефом Плато и доказаны математически в1976 г. Жаном Тейлором. Если пузырей больше чем три, они будут располагаться таким образом, что возле одного края могут соединяться только три стенки, при этом углы между ними будут равны 120°, в силу равенства поверхностного натяжения для каждой соприкасающейся поверхности (рис.3).
Поведение пересекающихся мыльных плёнок, можно исследовать, меняя положение в пространстве двух простых плоских рамок. При погружении объемных рамок в мыльный раствор, получаются удивительные по красоте и форме пленки. Казалось бы, должны получаться пленки, обтягивающие каркас. Но нет! В случае куба, тетраэдра, четырехугольной пирамиды и многих других фигур, пленки прикрепляются к ребрам и сходятся внутри. Площадь пленок, натянутых на каркас, всегда минимальна.
С помощью рамок можно наглядно решать некоторые геометрические и архитектурные задачи. При проектировке зданий крыши макетов выполняются в виде каркасов. Расчет проверяется с помощью мыльных пленок, которые формируются на этих рамках. (Приложение 2)
Исследование физических свойств мыльного пузыря
Скажи мне, и я забуду.
Покажи мне, и я запомню.
Дай мне действовать самому, и я научусь.
Правила по технике безопасности:
1. Работать с раствором надо очень аккуратно, хранить в закрытом сосуде.
2. Освещение должно быть, по возможности, яркое: иначе пузыри не покажут своих радужных переливов.
3. Производить опыты нужно медленно, осторожно, спокойно.
4. Раствор не должен быть слишком вспененным. Если у Вас образуется много пены на поверхности раствора, просто снимите ее рукой или сдуйте.
5. После работы вымыть руки.
– Мыльный раствор (Приложение 3)
– Устройство для надувания пузырей (соломинка, воронка)
– Кольца для выдувания пузырей разного диаметра
– Проволочные рамки каркасов в форме различных геометрических фигур
– П-образный каркас из проволоки с подвижной перекладиной; две прямые проволочки диаметром 0,3 мм и длиной приблизительно 50 мм, проволочный каркас в виде кольца, иголка, скрепка
Эксперимент №1. Обнаружение поверхностного натяжения
Цель: показать на опыте, что жидкость имеет поверхностное натяжение, убедиться в упругости поверхностной пленки.
2. На поверхность воды положить иголку, скрепку.
4. Используя трансформирующиеся модели из комплекта по стереометрии можно наблюдать, как пленка растягивается, но не рвется при преобразовании одной фигуры в другую, например, взять фигуру – четырехугольная пирамида .
Мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, а глицерин – уплотняет ее. Это позволяет получить очень тонкую стенку мыльного пузыря. Она легко растягивается, но не рвется. Она довольно прочная, учитывая ее толщину.
Вывод: Эти опыты убеждают в наличии поверхностного натяжения. Наличие поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку. Стенка мыльного пузыря входит в число тех немногих микроскопических объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом.
Эксперимент№2. Измерение сил поверхностного натяжения
Цель: исследовать зависимость силы поверхностного натяжения от длины линии, разделяющей поверхности жидкости и твердого тела.
Проводим эксперимент с проволокой разной длины(5 см и 9 см)
1. Зацепить самую короткую тонкую проволочку, чуть изогнутую по краям, чувствительным пружинным динамометром (ц.д.=0,02Н) и опустить в воду. Очень медленно, без толчков поднимать проволочку. Когда показание динамометра достигнут максимального значения, зафиксировать это показание.
2. Заменить короткую проволоку на длинную и повторить опыт. Зафиксировать показание динамометра.
Вывод: Сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине линии, разделяющей поверхность жидкости и соприкасающегося с ней тела: чем больше длина проволоки, тем больше сила поверхностного натяжения.
Эксперимент№3. Измерение коэффициента поверхностного натяжения
Цель: измерить коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора.
Физическую величину, равную отношению силы поверхностного натяжения к длине линии, ограничивающей поверхность жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения.
Динамический метод Сталагмометрический, или метод счета капель.
В основе расчетов лежит закон, согласно которому вес капли, отрывающейся от пипетки равен силе поверхностного натяжения жидкости. (Приложение 4)
Читайте также: