Объект исследования: жидкости различной плотности и температуры.

Предмет исследования: условия плавания металлических иголок на поверхности жидкостей.

Задачи исследования:
1. Изучить научную литературу по теме <Поверхностное натяжение> .
2. Спланировать порядок проведения опытов.
3. Подготовить необходимое оборудование и растворы.
4. Провести необходимые исследования и обработать результаты.
5. Подготовить отчёт о проделанной работе.

Идея исследования:
Способность металлических предметов плавать на поверхности жидкостей за счёт силы поверхностного натяжения.

План работы над проектом
1. Выбор темы (обсуждение различных тем проектной деятельности)
2. Изучение  литературы по выбранной теме
3. Формулировка основных физических идей, разработка направлений исследования
4. Постановка и проведение эксперимента
5. Обработка результатов эксперимента
6. Подготовка и оформление работы

Введение
Инновационный дух является неотъемлемой компонентой пространственной среды современной образовательной системы. И хоть само слово <инновация> зазвучало в повседневной речи педагога в понятной транскрипции не так уж давно, идея, отнюдь, не нова. Напротив, стара как мир. Всё течёт, всё изменяется, подчас преображаясь до неузнаваемости. Чтоб устоять на месте, необходимо идти. Чтоб продвигаться вперёд, надобно бежать, ведь изменяется стремительно сама окружающая действительность. Передовые идеи, принципы и подходы повсеместно претворяются в практике настоящего, созидающего новое завтра.

Процесс обучения всегда сложен. Однако необходимо, чтобы учащиеся  чувствовали себя полноправными субъектами учебного процесса, свободными в творческом достижении принятых  ими целей обучения и воспитания. Весьма уместен в таком процесс физический эксперимент. Он открывает большие возможности для развития познавательных интересов и формирования умения применять полученные знания на практике. К тому же эксперимент развивает физическое мышление, стимулирует интерес к предмету, учит наблюдать и вдумываться в наблюдаемое, развивает творческую инициативу.

Теоретическая часть
Свойства  жидкостей
По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между реальными газами и твердыми телами. Подобно газам и в отличие от твердых тел жидкости не обладают определенной формой, а принимают форму сосуда, в котором находятся. Подобно твердым телам и в отличие от газов жидкости сохраняют свой объем. Жидкости имеют достаточно плотную упаковку частиц: плотность вещества в жидком состоянии не намного отличается от плотности в твердом состоянии, и для сжатия требуются огромные усилия. Между молекулами жидкости действуют значительные силы взаимодействия, хотя они и несколько меньшие, чем у твердых тел. Молекулы жидкости совершают непрерывные беспорядочные движения самых различных типов: поступательное перемещение молекул, вращение молекул, колебания атомов внутри молекул, колебания молекул в поле соседних молекул.

Жидкости ближе к твердым телам, чем к газам. На это указывает количественная близость их плотностей, удельных теплоемкостей, коэффициентов объемного расширения. Удельная теплота плавления существенно меньше теплоты парообразования. В опытах по рассеиванию рентгеновских лучей в жидкостях установлен "ближний порядок" в расположении молекул: упорядоченное расположение сохраняется лишь среди ближайших соседей, т.е. на расстояниях порядка нескольких молекулярных диаметров.

Поверхностная   энергия
Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности.
На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии порядка 10-9 м (радиус молекулярного действия). На молекулу М3, расположенную внутри жидкости (рис. 7.14), действуют силы со стороны таких же молекул, и равнодействующая этих сил близка к нулю.
Для молекул М2 равнодействующие сил отличны от нуля и направлены внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость (молекулярное давление).
Чтобы переместить молекулу М3, расположенную непосредственно под поверхностным слоем, на поверхность, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией.
Очевидно, что величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности.
Пусть площадь свободной поверхности изменилась на ?S, при этом поверхностная энергия изменилась на ?Wп =??S, где ? - коэффициент поверхностного натяжения.
Так как для этого изменения необходимо совершить работу

А = ?Wп ,  то  А = ?*?S.     Отсюда     a = А/ ?S.

Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр  (Дж/м2).
Коэффициент поверхностного натяжения - величина, числено равная работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на единицу при изотермическом процессе.
Так как любая система, предоставленная сама себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению свободной поверхности.
Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т.е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме.

Пример: капля жидкости в состоянии невесомости имеет сферическую форму.

Поверхностное  натяжение
Свойство поверхности жидкости сокращаться можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Молекула M1 (рис. 7.15), расположенная на поверхности жидкости, взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, находящимися на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы M1 равнодействующая R молекулярных сил, направленных вдоль свободной поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы М2, расположенной у границы поверхности жидкости, R ? 0 и R направлена по нормали к границам свободной поверхности и по касательной к самой поверхности жидкости.
Равнодействующая сил, действующих на все молекулы, находящиеся на границе свободной поверхности, и есть сила поверхностного натяжения. В целом она действует так, что стремится сократить поверхность жидкости.
Можно предположить, что сила поверхностного натяжения F прямо пропорциональна длине L границы поверхностного слоя жидкости, ведь на всех участках поверхностного слоя жидкости молекулы находятся в одинаковых условиях: F ~  L .
Действительно, рассмотрим вертикальный прямоугольный каркас (рис. 7.16, а, б), подвижная сторона которого уравновешена. После извлечения рамки из раствора мыльной пленки подвижная часть перемещается из положения 1 в положение 2. Учитывая, что пленка представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности, найдем работу, совершаемую при перемещении поперечины на расстояние h = а1a2. A=2Fh, где F - сила, действующая на каркас со стороны каждого поверхностного слоя. С другой стороны, А = ??S  = ?  2lh.

Следовательно,   2Fh = ?  2lh; F = ?L,  откуда ?=F/L
Согласно  этой  формуле  единицей  коэффициента  поверхностного натяжения в СИ является ньютон на метр (Н/м).
Коэффициент поверхностного натяжения ? численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости, от температуры и от наличия примесей. При увеличении температуры он уменьшается. При критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и паром, ? = 0.
Примеси в основном уменьшают (некоторые увеличивают) коэффициент поверхностного натяжения.

Практическая часть

Выводы
Работу над задачей мы начали с тщательного изучения литературы по теме. Затем была сформулирована идея опытов. Проверить, как зависит поведение металлической иголки на поверхности жидкости (плавает или тонет) в зависимости от температуры жидкости и различных добавок, т.к. поверхностное натяжение можно изменять добавляя вещества или мыльный раствор. Для измерения коэффициента поверхностного натяжения использовался специальный микроманометр, имеющийся в комплекте оборудования для средней школы.
Тщательное проведение всех измерений, графическое представление их результатов, сравнение с теоретическими зависимостями в общей сложности заняло достаточно большой промежуток времени. Полученные экспериментальные данные и выводы свидетельствуют о небольших отклонениях от теоретических закономерностей. Проделанная работа, с определенной долей погрешности, свидетельствует о том, что плавание металлических иголок на поверхности жидкости зависит от состояния жидкости и примесей в ней.

Список использованной литературы
1. Элементарный учебник физики. Под редакцией академика Г.С.Ландсберга
2. Физика в средней школе. Теория. Задания. Тесты. Л.А.Аксенович, Н.Н.Ракина, К.С.Фарино.
3. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Кл.Э.Суорц
4. Физика. Учебное пособие для техникумов. В.Л.Прокоьева, В.Ф.Дмитриева
5. Турниры юных физиков. Л.Г.Маркович, А.И.Слободянюк