Бинарний урок «Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг»

Бінарний урок (фізика, хімія) за темою

«Властивості поверхні рідини.

Поверхневий натяг»

 

 Мета. Повторити з учнями молекулярну будову рідин, ознайомити їх з характерними особливостями рідкого стану, сформувати поняття поверхневого на­тягу та ознайомити з методами визначення сил повер­хневого натягу. Розвивати в учнів уміння робити висновки із спостережуваних дослідів, з метою політех­нічної підготовки учнів показати практичне значення явищ.

Переконувати учнів у пізнавальності світу, показа­ти роль міжпредметних зв'язків курсів фізики та хімії для розвитку учнів. Виховувати наполегливість у на­вчанні.

 Девіз:

"Щоб пізнати, потрібно вчитись спостерігати».

 Обладнання. Відеомагнітофон, фільм «Властивості рідини», поплавець з дротяним кільцем, циліндрична посудина з водою, підіймальний сто­лик, піпетка, ефір, прилади для фронтального екс­перименту: посудини з водою, леза безпечної брит­ви, дротяні каркаси для мильних плівок, посудини з мильним розчином, дротинки, сірники, свічки на підставці, фігурки рибок, вирізані з картону, піпет­ки, пляшечки з різними рідинами, кусочки мила, шматочки цукерок «дюшес», дрібно нарізані папірці; довідникові матеріали, аплікації для магнітної дош­ки, опорний конспект, таблиці «Основні положення МКТ», «Особливості рідкого стану. Поверхневий натяг».

 Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

 Метод проведення: експериментально-пізнавальний.

Хід уроку:

1. Актуалізація опорних знань та способів дії.

 Вчитель фізики. Ви знаєте основні положення МКТ будови речовини та відмінності в молекулярній бу­дові газів, рідин і твердих тіл. Давайте порівняємо вла­стивості рідин із відомими вам властивостями газів, розглянемо їх спільність та відмінність. Для цього за­повнимо таблицю.

(Таблиця накреслена на дошці)

 

 

Агрегатний стан речовини   Характеристика	Газоподібний	Рідкий
Фізичні властивості	Не зберігають форми. Займають весь наданий об’єм. Легко стискаються	Зберігають об’єм. Набувають форму посудини (плинні). Практично не стискаються
Порядок розташування молекул	Молекули розташовані безладно, на відстанях, які в десятки разів перевищують розміри молекул	У цілому молекули розташовані безладно. Відстань між молекулами порядку розміру самих молекул
Характер взаємодії молекул	Молекули практично не взаємодіють	У разі незначного зменшення відстаней між молекулами вони починають відштовхуватись одна від одної. У разі незначного збільшення відстаней між молекулами вони починають притягуватись одна до одної
Характер руху молекул	Траєкторія  руху – ламана лінія. Напрямок руху молекули змінюють у момент зштовхувань	Більшу частину часу молекули коливаються навколо стану рівноваги. Час від часу перестрибують на вільне місце

Проводиться аналіз таблиці.

 

 II. Засвоєння нових понять і способів дії

 Вчитель фізики.

Рідкий стан - проміжний між газом та твердими речовинами. Властивості рідин у різних умовах зміню­ються в широких межах, Так, збереження об'єму ріди­ною зумовлене малою її стисливістю. Наприклад, при тиску 7¹⁰ ртуть стискається всього на 3 %, гліцерин -на 7 %.

- Користуючись довідниковим матеріалом, зробіть висновок про густину рідин та її пари при однакових умовах.

(Густина рідини приблизно в 1000 разів перевищує густину пари).

Рідини опираються також і збільшенню об'єму. Ця властивість рідин використовується, наприклад, в си­фоні. А про малу стисливість рідин свідчать досліди з прострілюванням яйця: у порожній шкаралупі куля пробиває тільки отвір, а сире яйце розривається на дрібні частини. Хочу навести один цікавий факт: Щоб довести нестисливість рідин, науковці провели дослід: воду налили в свинцеву кулю, яку запаяли, а потім стиснули потужним пресом. Вона не стислась, а просочилась крізь стінки кулі.

Але рідина має ще деякі цікаві властивості, які ви назвете після перегляду фрагментів фільму «Влас­тивості рідини».

(Демонстрація фільму).

- Отже, які властивості рідини ви можете назвати? (Текучість та в'язкість, міцність на розрив, крихкість, дифузія та інші).

- Чим пояснюються всі ці властивості рідин? Про це ви дізнаєтесь на цьому уроці.

(Тема уроку записана на дошці)

 Вчитель хімії.

 -  Що ви можете сказати про молекулярну будову рідини?

(У рідинах молекули розміщені значно ближче одна до одної, ніж в газах, притягання між ними сильніше).

 Властивості рідини пояснюються тим, що молекули (атоми) в рідині розміщені на відстанях, близьких до їх діаметра.

При таких відстанях взаємодія між молеку­лами настільки значна, що середня кінетична енергія їх руху приблизно дорівнює потенціальній енергії їх взаємодії. Тому молекула деякий час втримується в положенні рівноваги, але завдяки тепловому руху вона стрибком переміщається в нове положення рівнова­ги. Час перебування молекули в положенні рівноваги малий 10с (час  «осілого життя»).

 Рентгенограма рідин подібна до рентгенограми твер­дих дрібнокристалічних тіл. В рідкому стані існують групи атомів, розміщених так само, як і в кристалічній гратці, але ці малі угрупування розміщені цілком до­вільно одне відносно одного («близький порядок»).

 Скачками молекул з одного місця на інше пояс­нюється текучість рідин. Завдяки цьому рідина наби­рає форму посудини, в яку вона налита. Молекулярні рухи зумовлюють змішування різних рідин (явище дифузії). Завдяки малим відстаням між молекулами рідини мало стисливі, при спробі змінити об'єм ріди­ни навіть на малу величину починається деформація самих молекул. Сили притягання між частинками ріди­ни втримують їх разом у певному об'ємі.

(При поясненні вчитель використовує таблицю «Основні положення МКТ»).

 Вчитель фізики.

 Потрібно підкреслити, що якщо час дії зовніш­ньої сили менший часу «осілого життя» молекул в рідині, то механізм текучості виявитись не встиг­не. В цьому випадку дії зовнішньої сили заважають пружні молекулярні сили, що приводять до прояву пружних властивостей рідини. Наприклад, якщо різко вдарити палкою по воді (або по в'язкішій рідині), то палка може зламатись.               Отже, рідина ви­явить пружні властивості. Крім того, рідина вияв­ляє і міцністні властивості, які характерні для твер­дих тіл. А щоб зменшити об'єм рідини на 1 %, тре­ба збільшити на неї тиск у сотні й тисячі разів. Найхарактернішою особливістю рідини є те, що на межі з газом чи парою вона утворює вільну повер­хню.

Розглянемо властивості поверхневого шару рідини.

Фронтальний експеримент

(Посудини з водою, лезо безпечної бритви).

 - Спробуйте покласти лезо бритви на поверхню ріди­ни. Чому лезо лежить на поверхні?

- Чому листки латаття втримуються на поверхні води?

 Отже, як ви побачили, поверхневий шар рідини перебуває в особливому стані. Проробимо ще один дослід.

 Дослід

(На підіймальному столику встановлюють високу циліндричну посудину з водою, на яку опускають по­плавець з дротяним каркасом).

 Зануримо кільце у воду так, щоб воно було нижче рівня води, та обережно відпустимо його.

- Що ви спостерігаєте?

(Поплавець залишився під водою біля поверхні).

 Ці досліди дають змогу зробити висновок про існу­вання на поверхні рідини шару молекул, поведінка яких нагадує поведінку пружної плівки, наприклад, киселю.

 Поверхневий шар молекул рідини з пружними вла­стивостями називається плівкою поверхневого натя­гу. Плівка поверхневого натягу зумовлює існування сил поверхневого натягу та поверхневий тиск.

- Чому виникає поверхневий натяг рідини?

 Вчитель хімії.

Розглянемо дію молекулярних сил на молекулу, яка знаходиться всередині та на поверхні рідини.

(Пояснення супроводиться демонстрацією за допо­могою аплікацій на магнітній дошці,

 

 

 Молекули всередині рідини оточені з усіх боків та­кими самими молекулами, у цьому разі сили молеку­лярної взаємодії, що діють на будь-яку молекулу, на­прямлені симетрично в усі боки.

 - Чому рівна рівнодійна цих сил? (Дорівнює 0). Отже, сили взаємно компенсуються, не впливаючи на поводження молекули. В іншому положенні пере­буває молекула на поверхні рідини. Оскільки густина рідини в багато разів більша за густину газу біля її поверхні, це зумовлює існування значних сил взає­модії між молекулами в рідині та незначний зв'язок між молекулами води та пари.

 - Визначте величину та напрям рівнодійної сил, що діють на молекулу поверхневого шару.

(Рівнодійна сил напрямлена в глиб рідини перпендикулярно до її поверхні).

 Під дією цієї сили молекула поверхневого шару ніби втягується всередину рідини. А таких молекул багато, число їх на поверхні зменшується і площа поверхні рідини скорочується.

 Вчитель фізики. Внаслідок цього поверхня рідини весь час перебуває в стані своєрідного натягу. Цим пояснюються наші досліди та фотографії.

(Демонструється фотографія жука-плавунця, який, рухаючись по воді, прогинає її поверхню).

 Але, звичайно, не всі молекули можуть увійти в глиб рідини. На поверхні залишається таке їх число, при яко­му площа поверхні буде мінімальна при даному об'ємі рідини. Саме тому рідини під дією молекулярних сил на­бирають сферичної форми, поверхня якої мінімальна.

 Фронтальний експеримент

 (Посудини з водою, піпетка).

 -  Розгляньте форму краплинки води, утворену при допомозі піпетки.

(Учні аналізують дослід).

 Молекули поверхневого шару взаємодіють з усіма своїми сусідами. Внаслідок цього в поверхневому шарі виникають, як вже ви побачили з дослідів, напрямлені вздовж поверхні сили, що намагаються скоротити цю поверхню рідини. Ці сили називаються силами повер­хневого натягу.

- Що таке сила поверхневого натягу? Як вона на­прямлена? Проробимо дослід.

 Фронтальний експеримент

(Посудини з мильним розчином, дротяні каркаси для мильних розчинів з нитяною петлею, свічки на підстав­ках, сірники, дротинки).

 - Утворіть мильну плівку за допомогою кільцевого каркасу. Проколіть плівку всередині петлі кінчиком нагрітої дротини.

 - Що ви спостерігаєте?

(Коли проколоти плівку всередині петлі, то петля утворює коло).

 - Як пояснити цей дослід?

(Під дією сил поверхневого натягу плівка рідини вкорочується та набирає форму, що має найменшу поверхню).

 - Як напрямлені сили поверхневого натягу? (Перпендикулярно до поверхні).

 Отже, сила, яка діє вздовж поверхні рідини, пер­пендикулярно до неї та намагається скоротити її до мінімуму, називається силою поверхневого на­тягу.

(Пояснення проводиться за допомогою таблиці «Особливості рідкого стану. Поверхневий натяг»).

 Оскільки молекулярні сили діють на всі молекули, розміщені вздовж нитки, загальна сила, яка діє на нитку, повинна бути пропорційно довжині нитки.

(Вчитель демонструє прямокутні каркаси з миль­ними плівками, каркаси різних розмірів).

 Сила поверхневого натягу залежить від довжини тієї частини каркаса, на яку діє ця сила. Якщо ця дов­жина 2 см, то сила - 0,0008 Н, якщо довжина рамки 1 см, сила рівна 0,0004 Н.

Знайдемо відношення сили поверхневого натягу до довжини поверхні.

 - Який можна зробити висновок?

(Це відношення завжди однакове для певної рідини).

 Отже, це відношення сили поверхневого натягу, яка діє на межі поверхні рідини, до довжини цієї межі характеризує вільну поверхню самої рідини і нази­вається коефіцієнтом поверхневого натягу: G=F/l

 Одиниця коефіцієнта поверхневого натягу:  Н/м. Для іншої рідини таке відношення інше, але стале для цієї рідини.

 Вчитель хімії.

 - Виникає запитання: чи однакова величина повер­хневого натягу в різних рідин?

 - Що ви можете сказати про молекулярну будову різних рідин?

(Молекули різних рідин не однакові, тому різні й відстані між молекулами).

 Звідси випливає, що і сили поверхневого натягу в різних рідинах різні, а отже, різні й коефіцієнти по­верхневого натягу. Розгляньте таблицю коефіцієнтів поверхневого натягу рідин (довідниковий матеріал).

 - Які рідини мають великий коефіцієнт поверхне­вого натягу, а які — малий?

(Розплавлені метали мають величезні значення на­тягу, дуже малі — зріджені гази: водень, гелій).

 - Скляною пластинкою, підвішеною до динамомет­ра, доторкнулись до поверхні води, а потім гасу. Коли динамометр покаже більшу силу?

(Для води).

 Вчитель фізики.

Вияснимо, що впливає на поверхневий натяг рідин.

 Фронтальний експеримент.

(Посудини з водою, дрібно нарізані папірці, дротин­ки, свічки на підставках, сірники).

 - Покладіть папірці на поверхню води в посудині та доторкніться до поверхні розжареною дротиною.

 - Що ви спостерігаєте?

(Плаваючі папірці розбігаються в усі боки).

 - Про що це свідчить? (Поверхневий натяг зменшується).

Ви бачили, що досить було одного дотику розжа­реної дротини до мильної плівки, щоб вона лопнула. Отже, поверхневий натяг залежить від температу­ри.

(Довідниковий матеріал «Залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури»).

Подивимось ще один дослід.

 Дослід

(У високій циліндричній посудині плаває у воді по­плавець з дротяним каркасом).

 - Капнемо з піпетки на поверхню води кілька кра­пель ефіру. Що ви спостерігаєте?

(Поплавець спливає).

 

 

 

Фронтальний експеримент.

(Посудини з водою, дрібно нарізані папірці, нитяні петлі, кусочки мила та шматочки цукерки «дюшес», фігурки, вирізані з картону, «рибки», кусочки камфори).

 - Покладіть на поверхню води нитяну петлю, дотор­кніться до води всередині петлі кусочком мила. Що відбудеться?

(Петля набуває форми кільця).

 - Покладіть на поверхню води дрібні папірці, дотор­кніться до поверхні кусочком мила, а потім шматоч­ком цукерки «дюшес». Що ви спостерігаєте?

(При дотику кусочком мила папірці розбігаються, а при дотику цукеркою наближаються).

 -  Покладіть на поверхню води фігурку риби, а тоді на проріз у хвості риби - кусочок камфори. Що ви бачите?

(«Риба» починає рухатись).

 -  Який висновок можна зробити з цих дослідів? (Домішки до рідин змінюють величину поверхнево­го натягу).

Ви побачили, що одні речовини зменшують повер­хневий натяг рідини, а інші — його збільшують.

Речовини, які послаблюють поверхневий натяг ріди­ни, називаються поверхнево-активними.

 Чим пояснити, що поверхневий натяг рідин зале­жить від температури та домішок?

 Вчитель хімії.

 З підвищенням температури поверхневий натяг усіх рідин зменшується з двох причин: по-перше, з підви­щенням температури зростає відстань між молекула­ми і взаємодія між ними послаблюється; по-друге, з підвищенням температури збільшується випаровування рідини та зростає густина пари над рідиною. Сили притягання молекул поверхневого шару в глиб рідини дедалі більше починають врівноважуватись їхнім при­тяганням до молекул пари.               Нарешті, при певній тем­пературі, яку називають критичною, властивості рідини та пари стають однаковими і поверхневий натяг дорі­внює нулю. Для води такою температурою є 374°С.

 А зараз дослідіть, як саме впливають на поверхневий натяг води речовини, що знаходяться на ваших столах.

Інтерактивна частина: робота в групах.

 Клас поділяється на п’ять груп, групи формуються виключно за бажанням учнів, кожна група отримує завдання.  

 Фронтальний експеримент.

(Посудини з водою, дрібно нарізані папірці, пляшеч­ки з різними речовинами, піпетки).

1 група - досліджує вплив на поверхневий натяг води речовин: молока, олії;

2 група - досліджує вплив речовин: гліцерину, солі;

3 група - досліджує вплив речовин: машинного мас­ла, бензину;

4 група - досліджує вплив речовин: спирту, оцтової кислоти;

5 група - досліджує вплив речовин: гасу, спирту.

(Учні звітують про результати дослідів та роб­лять висновки).

 З цих дослідів ми побачили, що поверхневий натяг істотно залежить від домішок до рідин. Найбільш відо­мою поверхнево-активною речовиною для води є мило. Воно сильно зменшує її поверхневий натяг: приблиз­но в 1,5 рази. Зменшують його також ефіри, спирти та багато інших рідких та твердих речовин. Цукор і ба­гато солей збільшують поверхневий натяг.

 З молекулярної точки зору вплив поверхнево-ак­тивних речовин пояснюється тим, що сили притяган­ня між молекулами самої рідини більші за сили при­тягання рідини та домішок. Тому молекули рідини, розміщені у поверхневому шарі, з більшою силою втя­гуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Внаслідок цього молекули рідини переходять з повер­хневого шару вглиб її, а молекули поверхневого - ак­тивної речовини витісняються на поверхню.

 Вчитель фізики.

 - Де ж використовуються властивості деяких речо­вин збільшувати або зменшувати поверхневий натяг?

 Наступну інформацію Вам нададуть наші дублери.

 Декілька днів назад деяким учням було дано випереджувальне домашнє завдання.

 Прослухайте інформацію учнів:

1.Сільське господарство

Поверхневий натяг розчину залежить від його при­роди та концентрації. Сік з листя та стеблин сільсько­господарських культур до поливання і після нього має різні концентрації, отже, різний коефіцієнт поверх­невого натягу. Таким чином можна взнати чи потрібне поливання рослинам.

2.Будівництво

Поверхневі речовини використовують для виробниц­тва дисперсних матеріалів: будівельних та шляхових (цементних і асфальтних бетонів), кераміки та ме­талокераміки, волокнистих матеріалів (азбесту, па­перу, картону).

3.Хімічна промисловість

Мило виділяють, додаючи до мильної води кухонну сіль. Мило є поверхнево-активною речовиною, а ку­хонна сіль збільшує поверхневий натяг, тому поверх­нево-активна речовина виштовхується та відділяєть­ся від розчинника.

4.Металургія

Для отримання свинцевого дробу розплавлений сви­нець ллють з деякої висоти через вузькі отвори. Під час падіння свинець набуває форми кульок, внаслідок великого поверхневого натягу, що мають розплавлені метали.

Для контролю за якістю сталі розроблений ефек­тивний метод, який полягає у вивченні співвідношен­ня між діаметром та висотою краплі розплавленої сталі за допомогою збільшеної фотографії. Це співвідношення змінюється в залежності із зміною коефіцієнта поверхневого натягу.

5.Мореплавство

Для того, щоб заспокоїти море, яке «бушує», вили­вають на його поверхню деяку кількість нафти. На­фта зменшує поверхневий натяг води

 

III. Застосування нових понять і способів дії.

Розв’язування розрахункової задачі

Яку роботу проти сил поверхневого натягу треба виконати, щоб видути мильну бульбашку радіусом R? Чому дорівнює надлишковий тиск у середині бульбашки?

Розв'язування:

Мильна бульбашка являє собою дуже тонку плівку мильної води приблизно сферичної форми. Ця плівка має дві поверхні — зовнішню і внутрішню. Нехтуючи товщиною плівки і вважаючи тому радіуси обох сфер однаковими, знайдемо їх спільну площу:

S = 4R²+4R² =8R². 

Збільшення поверхневої енергії пов'язане зі збільшенням S:

П = S. 

Виконана під час видування бульбашки робота проти сил по­верхневого натягу іде на збільшення поверхневої енергії на А. Таким чином дістанемо:

А = П = 8R²

Надлишковий (порівняно із зовнішнім) тиск всередині буль­башки дорівнює:

=.

 При підбитті підсумків вчителі звертають увагу учнів на очікуванні  результати уроку і передаючи уявний мікрофон запитують:

1. Що ми робили на уроці?
2. Чи досягли очікуваних результатів Ви особисто, клас в цілому? Чому Ви так вважаєте?
3. Що могло б бути організовано краще, корисніше?
4. Над чим ще треба попрацювати?

 

Домашнє завдання. Опрацювати зміст параграфа 26, розвя’зати задачі: Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації під редакцією І. М. Гельфгата. Завдання учням, які бажають отримати:

• від 4 до 6 балів: с. 27 № 4.3, 4.31;
•  від 7 до 9 балів: с. 30 № 4.48, 4.51;
• Від 10 до 12 балів: с. 36 № 4.61, 4.85.