Конспект уроку з фізики для 10 класу на тему: «Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини. Явище змочування та незмочування. Капілярність"

Тема:  Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини. Явище змочування та незмочування. Капілярність.

Мета: поглибити й розширити уявлення про властивості рідини; пояснити й охарактеризувати поняття поверхневого шару; розкрити природу сил поверхневого натягу; сформувати поняття змочування – незмочування рідиною твердого тіла; установити залежність висоти підняття рідини від коефіцієнта поверхневого натягу; формувати уміння висувати гіпотези, робити припущення та перевіряти їх, розвивати вміння проводити аналогію, аналізувати матеріал, робити висновки, розвивати експериментальні уміння та прагнення проводити експеримент; сприяти активізації творчого мислення учнів, пробуджувати в них пізнавальний інтерес, стимулювати розвиток ініціативи, кмітливості; виховувати практичні навички користування приладами, екологічне мислення та поведінку.

Формувати  групи  компетентностей: уміння  вчитися, загально-культурну, соціально-трудову.

Тип уроку: урок-дослідження.

Метод навчання: пояснювально-ілюстративний з елементами проблемного

викладання.

Методичне забезпечення та обладнання: підручник, мультимедійний проектор, екран, колонки, презентація до уроку, відеоматеріали, парафін, електрична плитка, склянка з водою, скріпки,  дротяне кільце, мильний розчин, роздроблена пробка, рідке мило, спирт, оливкова олія, молоко, барвники, капіляри різних радіусів.

Перебіг уроку

І. Організаційний момент

Добрий день!

Я, як і завжди, із великим задоволенням вітаю вас на уроці.

Сьогодні  в нас не зовсім звичайний урок, ми проведемо експериментальні дослідження, здійснюючи подорож  у глибину рідин.

Епіграфом до нашого уроку можна взяти слова ірландського драматурга і публіциста Бернарда Шоу «Єдиний шлях, що веде до знань, — це діяльність».

Але перш ніж ми приступимо до основної мети нашого уроку, згадаймо правила техніки безпеки.

ІІ. Актуалізація опорних знань

1. Основні положення МКТ

Відповідь:  усі речовини складаються з частинок — атомів, молекул, йонів, тобто мають дискретну будову; між частинками є проміжки;

частинки речовини перебувають у невпинному безладному (хаотичному) русі; такий рух називають тепловим;

частинки взаємодіють одна з одною (притягуються й відштовхуються).

2. Які агрегатні стани речовини вам відомі?

Відповідь: рідкий, твердий, газоподібний.

3. Чим відрізняються рідини від газів?

Відповідь: молекули газу майже не зв’язані між собою силами міжмолекулярної взаємодії, тому вони розлітаються в різні боки, і газ займає наданий йому об’єм. У рідинах сили притягання між молекулами вже істотні й утримують молекули на певній відстані одну від одної. Середня кінетична енергія теплового руху молекул менша за середню потенціальну енергію, обумовлену силами міжмолекулярної взаємодії, і її не досить для подолання сил притягання, тому рідини мають певний об’єм.

4. У чому полягає відмінність рідин від твердих тіл?

Відповідь: на відміну від кристалів у рідинах порядок у розміщенні частинок не поширюється на весь об’єм, а обмежується областю, яка поєднує лише кілька частинок навколо даної. Тому говорять про ближній порядок у розміщенні частинок рідини. Кожна молекула рідини протягом досить тривалого інтервалу часу коливається навколо певного положення рівноваги. Іноді вона змінює це положення, переміщуючись на відстань порядку свого розміру. У результаті молекули вільно переміщуються всередині рідини, хоча в основному вони перебувають поблизу тимчасових положень рівноваги  на відміну від молекул твердих тіл, які здійснюють тільки коливання на місці. Час, протягом якого молекула коливається навколо положення рівноваги, називають часом її осілого життя. Він залежить від роду рідини і її температури (з підвищенням температури він зменшується).

5. Основні властивості рідин?

Відповідь: зберігають об’єм, але не зберігають форми;

 середня відстань між молекулами приблизно дорівнює розмірам самих молекул; мала стисливість; ближній порядок розміщення молекул;

сили взаємодії досить великі, хоча менші, ніж у твердих тілах;

молекули коливаються відносно положень рівноваги й «перестрибують» в інші позиції; плинність.

ІІІ. Сприйняття та засвоєння нового матеріалу

Тема сьогоднішнього уроку розкриває одне із найдивовижніших явищ природи, яке ми спостерігаємо практично щодня. Тому кожен із нас обов’язково має зрозуміти те, що спостерігає, і повинен уміти його пояснити.

Рідина є агрегатним станом речовини, проміжним між газоподібним і твердим, тому вона має властивості як газоподібних, так і твердих речовин.

Повсякденний досвід свідчить про текучість рідини і, здавалося б, відсутність у неї пружності. Під дією навіть незначного прикладеного зусилля рідина починає текти. Однак у звичайних умовах пружність рідини просто не встигає проявитися, оскільки час впливу на рідину звичайно значно більший

за час осілого життя молекул. Але якщо час дії сили менший або того самого порядку, що й час осілого життя молекул, то рідина внаслідок своєї кристалоподібної будови виявляє пружність.

Питання до класу

• А чи можете ви навести приклад пружних властивостей рідини.  (Якщо людина стрибне з вишки і вдариться об поверхню води своїм корпусом, то вона дуже заб’ється, рідина веде себе подібно до твердого тіла.)

Так, ви маєте рацію. Наприклад, струмінь рідини, яка виривається під великим тиском із вузького отвору, може різати сталь, граніт та інші міцні матеріали. Цю властивість рідини використовують у сучасній техніці.

Під дією сили тяжіння і текучості можна пояснити той факт, що поверхня нерухомої рідини завжди горизонтальна. Збереження рідиною об’єму при змінах її форми пояснюється наявністю значних сил зчеплення між її молекулами.

З’ясуємо, які явища можна пояснити наявністю великих сил взаємодії між молекулами рідини.

Проведемо досліди.

У склянку одну за одною починають занурювати скріпки. Вода вигинається грибком, але не проливається.

Дослід 2. А тепер на цю поверхню обережно покладіть скріпку, попередньо поклавши серветку.

Що спостерігаємо? Вона не тоне. Коли скріпка «плаває» на воді, то можна помітити невелике прогинання поверхні рідини. Якщо її занурити в глиб води, вона піде на дно.

Учні висувають припущення. Це означає, що властивості поверхні рідини відрізняються від властивостей решти рідини.

Як це можна пояснити? Уся справа в тому, що молекули на поверхні рідини перебувають в інших умовах, ніж молекули всередині рідини. На кожну молекулу всередині рідини діють сили притягання з боку сусідніх молекул, які оточують її з усіх боків. Результуюча цих сил дорівнює нулю. Над поверхнею рідини знаходиться пара, густина якої в багато разів менша за густину рідини. Оскільки з рідини на неї діє набагато більше молекул, ніж із газу, то рівнодійна  F міжмолекулярних сил напрямлена вглиб рідини. Щоб молекула з глибини рідини потрапила в поверхневий шар, потрібно виконати роботу проти нескомпенсованих міжмолекулярних сил. Це означає, що молекули поверхневого шару рідини (порівняно з молекулами всередині рідини) мають надлишкову потенціальну енергію. Ця надлишкова енергія є складником внутрішньої енергії рідини і називається поверхневою енергією (Wпов).

Очевидно, що чим більшою є площа S поверхні рідини, тим більша поверхнева енергія: W_пов=σS, де σ (сигма) — коефіцієнт пропорційності, який називають поверхневим натягом рідини.

Поверхневий натяг рідини — фізична величина, яка характеризує дану рідину й дорівнює відношенню поверхневої енергії до площі поверхні рідини: σ=W _пов /S

Одиниця поверхневого натягу в СІ —  ньютон на метр: .

Дослід 3. Візьмемо дротяне кільце, до діаметрально протилежних точок якого вільно, без натягу, прив’яжемо нитку. Зануримо кільце в мильний розчин, по обидва боки від нитки виявиться мильна плівка.

Що буде, якщо прорвати плівку з одного боку?

Як цей дослід можна пояснити? (Мильна плівка, утворена на каркасі стягується, скорочуючи площу своєї поверхні). 

Оскільки поверхневий шар рідини має надлишкову потенціальну енергію, а будь-яка система прагне до мінімуму потенціальної енергії, то вільна поверхня рідини прагне зменшити свою площу (скоротитися). Тобто вздовж поверхні рідини діють сили, що намагаються стягнути цю поверхню. Ці сили називають силами поверхневого натягу.

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, що обмежує поверхню, та намагається скоротити площу поверхні до мінімуму.

 Здатність рідини до скорочення своєї поверхні називають поверхневим натягом.

Ми зробили ще одне відкриття (запис у зошиті): сили поверхневого натягу перпендикулярні до межі поверхневого шару рідини, і вона виникає як результат прагнення рідини зменшити свою поверхню і, отже, поверхневу енергію.

Поверхневий натяг рідини — це відношення сили поверхневого натягу, яка діє на елемент контуру, що обмежує цю поверхню, до довжини контуру :

F_пов  =σl

σ—  поверхневий натяг рідини;  F_пов— сила поверхневого натягу; l — довжина вільної поверхні.

Фізичний зміст поверхневого натягу: поверхневий натяг чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на кожну одиницю довжини контуру, що обмежує поверхню рідини.

Опустимо в мильний розчин дротяну рамку, одна зі сторін якої рухома. На рамці утвориться мильна плівка. Будемо розтягувати цю плівку, діючи на поперечину (рухому сторону рамки) з певною силою F_зовн . Якщо під дією цієї сили поперечина переміститься на ∆x, то зовнішні сили виконають роботу: А=F_зовн ·Δх = 2F_нат ·Δx.

За рахунок виконання цієї роботи площі обох поверхонь плівки збільшаться, а отже, збільшиться й поверхнева енергія: А=ΔW= ·ΔS =  ·2lΔx, де S=2lΔx, — збільшення площі двох поверхонь мильної плівки. Прирівнявши праві частини одержаних рівностей, маємо: 2F_нат ·Δx =  ·2lΔx. Отже  F_нат =  l.

Проведемо наступний досвід та з'ясовуємо, якої форми набуде рідина під дією одних тільки сил поверхневого натягу.

Знов тема для роздумів. (Крапля олії в розчині набула форми кулі).

Ми з вами відтворили дослід  бельгійського  фізика і математика Жозефа Плато. Дослід показав, що в стані рівноваги вільна енергія системи має бути мінімальною. Зануренням краплі олії в рідину з такою самою густиною, як у олії, Плато зміг досягти усунення дії сили тяжіння на краплю олії. Єдиними силами, що діяли на краплю, були сили поверхневого натягу, під дією яких, вона набула форми кулі, бо з усіх тіл даного об'єму куля має найменшу поверхню, а отже, найменшу поверхневу вільну енергію, яка пропорційна поверхні рідини. При швидкому обертанні кулі оливкової олії від неї відокремлюється кільце, яке потім розривається на частини. Утворюються кульки, які продовжують обертатись навколо основної кулі.

Висновок (запис у зошиті): Рідина за відсутності сили тяжіння, або коли вона урівноважена силою Архімеда, приймає сферичну форму, що має мінімальну поверхню при одному й тому ж об’ємі.

Малий об'єм рідини сам по собі приймає форму, близьку до кулі, тому що завдяки малій масі рідини сила тяжіння, що діє на неї, також незначна. Поверхнева енергія й у цьому випадку перевищує потенційну енергію сили тяжіння,  форма рідини визначається саме нею. Цим пояснюється куляста форма крапель рідини. Маленькі крапельки роси також  близькі за формою до кулі.

У космічному кораблі, який перебуває у стані невагомості,  кулястої форми набувають не тільки окремі краплі, а й великі об’єми рідини. Пропоную переглянути відеофрагмент «Вода у невагомості».

http://mors.in.ua/main/746-voda-v-nevagomosti-video.html

Поміркуймо, від чого залежить коефіцієнт поверхневого натягу? (Учні висловлюють свої міркування).

Розгорніть, будь ласка, таблиці дані вам на аркушах паперу. У них наведено коефіцієнти поверхневого натягу деяких рідин. Скажіть, яка з наведених у таблиці рідин, має найбільш коефіцієнт поверхневого натягу?

Відповідь. (Ртуть)

У таблицях зазвичай наводять значення поверхневого натягу на межі рідини й повітря при температурі 20⁰С (табл. 1).

Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від природи рідин.

Роздаю завдання для груп.

Перша група:  Порівняти об’єми крапель води та спирту. В одну склянку накапайте 50 крапель води , а в другу 50 крапель спирту. Порівняйте об’єми у склянках. Які краплі були більші води чи спирту?

Висновок. Коефіцієнт поверхневого натягу води більший, ніж у спирту, тому краплі більшого об’єму має вода.

Як ви гадаєте, чи залежить коефіцієнт поверхневого натягу від температури?

Із підвищенням температури збільшується середня відстань між її частинками, а отже, сили молекулярного притягання зменшуються. Тому з підвищенням температури рідини поверхневий натяг зменшується.

Дуже важливою є залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури, котру вперше дослідив Д. Менделєєв ще в 1860 р. При зростанні температури рідини поверхневий натяг послаблюється, при наближенні до критичної температури (коли густини рідини і пари однакові)  - прямує до нуля.

Який висновок ми можемо зробити? Частинки пробки перемістилися до країв посудини. Цим прийомом ми зробили помітним переміщення поверхневого шару води. Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від домішок.

Поверхневий натяг істотно залежить від домішок до рідин. Речовини, які послаблюють поверхневий натяг рідини, на­зивають поверхнево-активними (ПАР). Належать до них різні компоненти нафти, мило, деякі жирні кислоти, ефіри, спирти, миючі засоби, амінокислоти. Найвідомішими поверхнево-активними речовинами для води є мило й пральні порошки. Вони сильно знижують її поверхневий натяг (приблизно з 7,5•10^-2 до 4,5•10^-2 Н/м). Це полегшує миття й прання білизни, оскільки високий поверхневий натяг чистої води не дає їй проникати між волокнами тканини й в дрібні пори. З молекулярної точки зору вплив поверхнево-активних речовин пояснюється тим, що сили притягання між молекулами самої рідини більші за сили притягання між молекулами рідини й домішок. Тому молекули рідини, розміщені в поверхневому шарі, з більшою силою втягуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Унаслідок цього молекули рідини пере­ходять з поверхневого шару вглиб її, а молекули поверхнево-активної речовини витісняються на поверхню.

Ще один дослід з молоком, фарбами й миючим засобом для посуду.

Пояснити спостережуване.

Відповідь. (Поверхня молока переміщується у бік меншого поверхневого натягу, захоплюючи з собою фарбу.)

Взаємодію молекул рідин на межі з твердими тілами також не можна нехтувати.

Дослід 5. Наберіть в піпетку воду й капніть на поверхню: - чистого скла;  - поверхню скла, натертого парафіном.

Що спостерігаєте?  (На поверхні чистого скла рідина розтеклася, а на склі, натертому парафіном, зібралась у краплину.)

Сформулюйте висновок. Якщо сили притягання між молекулами рідини й твердого тіла переважають сили взаємодії між самими молекулами рідини, то рідина змочує тверде тіло. Якщо сили притягання між молекулами рідини переважають сили взаємодії між молекулами рідини й молекулами твердого тіла, то рідина не змочує тверде тіло.

Явище змочування й незмочування рідиною твердого тіла є наслідком поверхневого натягу рідини.

Капілярні явища. Змочування чи незмочування рідиною стінок посудини впливає на форму її вільної поверхні. Якщо велика кількість рідини налита в широку посудину, то форма поверхні горизонтальна внаслідок дії сили тяжіння. Але біля країв посудини зазнає викривлень. Якщо діаметри трубок невеликі, то майже вся поверхня води в них буде викривленою. Викривлену поверхню називають меніском, вузенькі трубки – капілярними, а підняття рідини в них – явищем капілярності, або просто капілярністю.

Вода в капілярах піднімається завдяки надмірному тиску, який виникає внаслідок поверхневого натягу.

Дослідимо від чого залежить висота підняття рідини в капілярах.

Перша група: у посудину з гарячою водою опустіть капілярну трубку. Як зміниться рівень води в трубці під час охолодження води в ній?

(Підвищиться так, як поверхневий натяг охолодженої рідини стане більшим).

Друга група: опустіть капілярні трубки однакового радіуса у воду та спирт. Чи однакова висота підняття рідин?

(Висота підняття різна тому, що різний коефіцієнт поверхневого натягу).

Третя група: опустіть капілярні трубки різного радіуса у воду. Чи однакова висота підняття рідини?

(Чим меншим є радіус капіляра, тим більша висота підняття (або опускання) рідини).

Капілярні явища мають велике значення в природі та техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла й листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 160 -109 капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.

   У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту й стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо. Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.

ІV. Закріплення вивченого матеріалу

Запитання:

1. Наведіть приклади дії сил поверхневого натягу.

2. Як зміниться сила поверхневого натягу води у разі розчинення в ній мила?

3. Якої форми набувають краплі рідини в умовах невагомості? Чому?

4. Чому жирові плями на одязі не вдається змити водою?

5. Які ж поради ви дасте всім тим, хто полюбляє працювати з крейдою? (Крейду обгорнути папером, а краще тонкою плівкою (просочити молоком).

6. Чому шматочок цукру, покладений на мокрий стіл, незабаром весь просочується водою? (За рахунок великої кількості капілярів).
7. Чому розтікається чорнило на папері поганої якості? (У такому папері багато капілярів).
8. Відомий вислів «як мокра курка». Чому немає вислову «як мокра гуска»?

Поясніть, як ви розумієте наступні прислів’я?

1. Розквасився, як чорнило на папері. (Унаслідок капілярних явищ на поганому папері розпливається чорнило. Якісні сорти паперу просочені спеціальним розчином, який закриває капіляри).

2. Стіни й на камені мокріють. (Цегла й камені мають макроскопічні щілини, по яких, як по капілярах, може просочуватись вода і зволожувати стіни. А щоб вода по стінах не піднімалася і не зволожувала будинку, на фундамент кладуть просмолений папір і шар асфальту, які не змочуються водою і по капілярах яких вода підніматися не може).

Самостійна робота з використанням QR-коду.

V. Повідомлення домашнього завдання

Домашнє завдання:

1.              Вивчити теоретичний матеріал за конспектом.

2.              Опрацювати  параграф 33, впр.33 (1-3)