Номер 1, страница 158 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Налейте в тарелку воду и положите на воду 4 спички так, чтобы они составили квадрат.

Возьмите кусочек мыла и коснитесь им поверхности воды внутри квадрата из спичек. Объясните наблюдаемое явление.

Повторите опыт несколько раз и объясните результаты.

Объясните наблюдаемое явление.

Когда спички помещают на поверхность чистой воды, они плавают, удерживаемые силами поверхностного натяжения. Молекулы на поверхности воды испытывают сильное взаимное притяжение, что создает эффект упругой пленки. Силы поверхностного натяжения действуют на спички как изнутри, так и снаружи образованного ими квадрата, и эти силы первоначально уравновешены.

Мыло является поверхностно-активным веществом (ПАВ). При контакте с водой молекулы мыла быстро распространяются по ее поверхности. Они встраиваются между молекулами воды, ослабляя силы сцепления между ними. Это приводит к уменьшению коэффициента поверхностного натяжения.

Когда мыло касается воды внутри квадрата из спичек, поверхностное натяжение в этой области резко снижается. Снаружи квадрата, где вода остается чистой, поверхностное натяжение сохраняется высоким. В результате возникает разность сил, действующих на каждую спичку. Сила поверхностного натяжения, действующая со стороны чистой воды (снаружи), становится значительно больше, чем сила, действующая со стороны мыльной воды (изнутри).

Сила поверхностного натяжения рассчитывается по формуле $F = \sigma \cdot l$, где $\sigma$ – коэффициент поверхностного натяжения, а $\text{l}$ – длина контура (в данном случае, длина спички).

Так как коэффициент поверхностного натяжения чистой воды ($\sigma_{воды}$) больше коэффициента поверхностного натяжения мыльного раствора ($\sigma_{мыла}$), то и сила, действующая на спичку снаружи ($F_{внешн}$), становится больше силы, действующей изнутри ($F_{внутр}$): $F_{внешн} > F_{внутр}$.

Эта результирующая сила, направленная наружу от центра, заставляет спички двигаться в стороны, в область с более высоким поверхностным натяжением. В итоге квадрат из спичек "разбегается".

Ответ: Спички разбегаются в стороны из-за того, что мыло локально снижает поверхностное натяжение воды внутри квадрата. Более высокое поверхностное натяжение чистой воды снаружи "оттягивает" спички от центральной области с мылом.

Повторите опыт несколько раз и объясните результаты.

При первом проведении опыта эффект "разбегания" спичек будет наиболее сильным. Это связано с максимальной разницей в поверхностном натяжении между чистой водой снаружи и мыльной водой внутри квадрата.

При повторении опыта в той же тарелке с водой, молекулы мыла, добавленные в первый раз, уже успели частично распространиться по всей поверхности. Это означает, что поверхностное натяжение воды снаружи квадрата уже несколько снизилось по сравнению с первоначальным значением для чистой воды. При повторном касании мылом воды внутри квадрата, поверхностное натяжение там снова падает, но разница между натяжением снаружи и внутри ($\sigma_{снаружи} - \sigma_{внутри}$) оказывается меньше, чем в первом опыте. Как следствие, спички будут двигаться, но уже не так быстро и энергично.

С каждым последующим повторением вся вода в тарелке будет насыщаться молекулами мыла. Поверхностное натяжение будет выравниваться по всей площади, стремясь к некоторому минимальному значению, характерному для мыльного раствора данной концентрации. В конце концов, наступит момент, когда добавление новой порции мыла уже не сможет создать существенной разницы в поверхностном натяжении. В этом случае движение спичек прекратится или станет практически незаметным.

Ответ: С каждым повторением опыта в той же воде эффект движения спичек ослабевает и в итоге полностью исчезает. Это происходит потому, что мыло постепенно загрязняет всю поверхность воды, уменьшая и выравнивая поверхностное натяжение по всей тарелке, из-за чего исчезает разность сил, толкающих спички.