Розробка уроку. "Властивості рідин. Поверхневий натяг. Змочування. Капілярні явища". (Фізика 10 клас)

Тема: Властивості рідин: поверхневий натяг, змочування.

Капілярні явища.

Мета уроку: встановити фізичну природу поверхневого натягу, змочування і капілярності. Розкрити поняття сили поверхневого натягу, умови змочування і незмочування, капілярності та їх використання у побуті. Розвивати мислення, уміння чітко формулювати свою думку. Виховувати допитливість і любов до вивчення предмету. Розвивати інформаційно-комунікаційну, комунікативну і предметну компетентності.   

Очікувані результати: учні повинні розширити свої пізнання про властивості рідин: поверхневий натяг, змочування і незмочування, капілярності та їх використання у побуті; навчитись розв’язувати задачі з даної теми.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.  

Методи і прийоми: слово вчителя, бесіда, демонстрація, робота в групах, «Незакінчене речення»

План уроку

1. Організаційний момент. Перевірка домашнього завдання. Оголошення теми і мети уроку. (4 хвилин)

2. Актуалізація опорних знань. (3 хвилини)

3. Вивчення нового матеріалу: (20 хвилин)

                   1. Поверхневий натяг рідин;

                2. Дія поверхневого натягу;

                 3. Змочування;

                            4. Капілярні явища.

4. Демонстрації (по ходу вивчення матеріалу) (5 хвилин)

1. Бездонна склянка;

2. Голка на воді;

3. Дротяна рамка;

4. Змочування і незмочування;

5. Капілярність. 

5. Узагальнення. Розв’язання задач. (10 хвилин)

6. Оцінювання роботи учнів. Рефлексія. ( 2 хвилини)

7. Домашнє завдання. (1 хвилина)

Хід уроку

I. Організаційний момент.

II. Перевірка домашнього завдання.

Учні демонструють вирощені в домашніх умовах кристали.

III. Мотивація навчальної діяльності.

На столі знаходиться склянка доверху заповнена вадою. Питання до учнів всього класу: скільки монеток можна занурити у цю склянку, до поки вода не стане виливатись з неї? (Демонстрація «Бездонна склянка»)

 Питання до учнів всього класу: чи можна покласти голку на воду так, щоб вона не затонула? (Демонстрація голка на воді)

 ІV. Актуалізація опорних знань. 

1. Згадайте основні положення МКТ.

2. Записати формулу тиску рідин.

3. Записати формулу роботи.

4. Сформулювати і записати другий закон Ньютона.

5. Чим відрізняються рідини від твердих тіл і газів? 

6. Записати формулу сили тяжіння.

7. Записати закон Гука.  

V. Оголошення теми і мети уроку. Учні формулюють очікувані результати.

VІ. Вивчення нового матеріалу.

Слово вчителя (учні коротко записують почуте):

1. Поверхневий натяг рідин.

 Спостереження показують, що поверхня рідини під дією молекулярних сил мимовільно скорочується. Це можна бачити на таких прикладах: кульова форма краплі роси на листі, злиття двох малих крапель в одну внаслідок їх зіткнення, досліди з мильними плівками та ін. Куля має мінімальну поверхню за заданого об’єму, факти утворення кульової форми рідини або злиття двох крапель в одну свідчать про мимовільне скорочення поверхні рідини в процесі її переходу в рівноважний стан.

Пояснення кулястої форми крапель полягає в тому, що рідина прагне зменшити площу своєї поверхні, а з усіх тіл із заданим об’ємом найменшу площу поверхні має куля. 

Прагнення рідини зменшити площу своєї поверхні називається поверхневим натягом.

Молекули на поверхні рідини перебувають в особливих умовах порівняно з молекулами її внутрішніх шарів. Усередині рідини сумарна сила притягання, що діє на молекулу з боку сусідніх молекул, дорівнює нулю.

Молекули поверхневого шару рідини притягуються лише молекулами внутрішніх шарів. Молекули, що перебувають на поверхні, під дією сумарної сили притягання втягуються всередину рідини. На поверхні залишається таке число молекул, за якого площа поверхні рідини виявляється мінімальною за того самого об’єму.

Молекули поверхневого шару чинять молекулярний тиск на рідину, стягуючи її поверхню до мінімуму.

Щоб витягти молекулу з  рідини, потрібно подолати притягання інших молекул, тобто здійснити позитивну роботу, а отже, збільшити енергію молекули.

Таким чином, потенційна енергія молекули на поверхні рідини більша, ніж потенційна енергія молекули в товщі рідини. А це означає, що молекули поверхневого шару мають надлишкову енергію порівняно з молекулами в товщі рідини. Цю енергію називають поверхневою енергією.

Поверхнева енергія — це надлишкова потенційна енергія молекул поверхневого шару рідини.

Поверхнева енергія пропорційна площі вільної поверхні рідини:

Величину називають коефіцієнтом поверхневого натягу рідини. (знаходиться за таблицею)

2. Дія поверхневого натягу.

Сили, що діють вздовж поверхні рідини і призводять до зменшення її площини, називають силами поверхневого натягу. Їх прояв можна спостерігати за допомогою дротяної рамки, одна із сторін якої (АВ) рухома.

 Якщо занурити рамку у мильний розчин, а потім дістати її з нього, та на ній виникне тонка мильна плівка, яка буде скорочувати свою поверхню. Рухома дротинка АВ буде пересуватись вгору до тих пір, поки не врівноважиться сила тяжіння, діюча на неї із силою поверхневого натягу, яка намагається зменшити поверхню плівки.

 Щоб розтягнути цю мильну плівку, необхідно прикласти до рухомої дротинки АВ силу , так як , завдяки якій вона зміститься на відстань . При цьому буде виконана робота .

 Згідно з законом збереження енергії робота дорівнює зміні поверхневої енергії мильної плівки:

 де - площа поверхні плівки до розтягу, - площа поверхні плівки після розтягу, - коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Так як   , отримаємо:

,

Звідси сила поверхневого натягу , що діє на контур рамки:

 Вона спрямована перпендикулярно лінії контуру, як видно з малюнка.

 Поверхневий натяг залежить від наявності в рідині домішок, впливаючих на її поверхневі властивості. Існують речовини, наприклад мило і пральні засоби, які можуть в кілька разів зменшити поверхневий натяг води. Ця властивість використовується для прання білизни. Такі речовини як бензин, спирт, уайтспірит, мають малій поверхневий натяг, тому їх використовують при хімічній чистці одягу.

3. Змочування.

Взаємодією молекул рідини на межі з твердими тілами не можна нехтувати, так як сили притягання між молекулами рідини і твердого тіла можуть бути більшими за сили взаємодії між молекулами рідини.

Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла більші за сили зчеплення частинок рідини, рідину називають змочуючою це тверде тіло.

Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла менші за сили зчеплення частинок рідини, - незмочуючою це тіло. 

Визначити чи змочує рідина тверде тіло можна за формою краплі на його поверхні. Проведемо дослід (Демонстрація Змочування і незмочування).

Якщо , як в першому випадку (вода і скло) – відбувається змочування.

Якщо , як в другому випадку (вода і парафін) – незмочування.

Властивість рідин змочувати або не змочувати поверхню твердих тіл спостерігається в викривленні їх вільної поверхні на межі з ємністю. Рідина, яка змочує поверхню, ніби піднімається по її краям, утворюючи ввігнуту поверхню – ввігнутий меніск; незмочуюча рідина має випуклий меніск як зображено на малюнку.        

 В широких ємностях вільна поверхня рідини випрямляється і стає практично горизонтальною, а в тонких трубках меніск має сферичну форму. Відбувається це тому, що сили взаємодії між молекулами рідини намагаються її випрямити, а сили поверхневого натягу – зробити поверхню як можна меншою.

 Явище змочування використовують у склеюванні, паянні, фарбуванні тіл, змащуванні тертьових деталей. Широко застосовується воно у флотаційних процесах (збагаченні руд цінною породою).

Явище змочування необхідно враховувати, конструюючи космічні апарати, тому що в стані невагомості змочувальна рідина розтікається по стінках посудини, у якій перебуває, а не змочувальна збирається великою краплею всередині посудини.

4. Капілярні явища.

У житті ми часто маємо справу з тілами, пронизаними безліччю дрібних каналів (папір, пряжа, шкіра, різні будівельні матеріали, ґрунт, дерево). Стикаючись із водою або іншими рідинами, такі тіла дуже часто всмоктують їх у  себе. На цьому ґрунтується дія рушника під час витирання рук, дія ґнота в гасовій лампі тощо.

Вузькі циліндричні трубки з малим  діаметром називаються капілярами.

Зануримо вузьку трубку в рідину (Демонстрація Капілярність). Якщо рідина змочує стінки трубки, то вона піднімається по стінці трубки над рівнем рідини в посудині, причому тим вище, чим вужча трубка.

Якщо рідина не змочує стінок, то, навпаки, рівень рідини у вузькій трубці буде нижчим, ніж у широкій посудині.

Установлено, що тиск під увігнутою поверхнею менший, а під опуклою -  більший, ніж під плоскою. Це можна уявити собі так, що під опуклою поверхнею рідини створюється додатковий тиск (Лапласовський), що діє вниз. Цей додатковий тиск, мабуть, залежить як від поверхневого натягу, так і від форми поверхні.

Для сферичної форми вільної поверхні рідини лапласовський тиск дорівнює:

,

де -  радіус сферичної поверхні.

Якщо занурити тонку скляну трубку і рівень води в ній буде вищий за основний, як в нашому випадку, то вода змочує поверхню, а якщо нижчий – не змочує поверхню скляного капіляра (ртуть).  

Капілярні явища – це явища всмоктування рідини в трубку при змочуванні (а), або витиснення її з неї при незмочуванні (б).

Висота підняття рідини в капілярній трубці визначається врівноваженням лапласового і гідростатичного тисків:

Гідростатичний тиск:

Отже :

Де - густина рідини (знаходиться за таблицею).

Якщо припустити, що рідина повністю змочує поверхню капіляра, то її меніск матиме сферичну форму, радіус якої дорівнює радіусу капіляра , тоді:

Капілярні явища надзвичайно поширені в  природі, техніці й побуті:

  - y проникнення поживних речовин з ґрунту в рослини;

  - y підйом вологи з глибоких шарів ґрунту;

  - y будівельна практика;

  - y застосування рушників, серветок, марлі тощо.

Живлення рослин зумовлене всмоктуванням із ґрунту вологи й поживних речовин, що є можливим завдяки наявності капілярів у кореневій системі й стеблах рослини.

Урахування капілярності необхідне під час обробки ґрунту. Наприклад, для того щоб відбувався більш інтенсивний випар вологи з ґрунту, необхідно ущільнювати його. У цьому випадку в ґрунті утворюються капіляри й  волога піднімається по них угору й  випаровується. Щоб зменшити випар, ґрунт розпушують, руйнуючи при цьому капіляри, і волога довше залишається в ґрунті.

Тіла, що мають велику кількість капілярів, добре вбирають вологу. Завдяки цьому під час витирання рук рушник усмоктує в себе воду, гас або розплавлений стеарин піднімаються по ґноту лампи або свічки.

VІІ. Узагальнення

Бесіда:

0. Навіщо ми накремлюємо чоботи?  

1. Поясніть походження народної приказки: «Як з гуски вода».

2. Космонавт у стані невагомості відкорковує дві скляні пробірки: одну з гасом, другу - із ртуттю. Як поведуться рідини?

3. Як пов’язана висота підйому рідини в скляному капілярі з діаметром капіляра?

4. Чому шовкова тканина погано витирає мокрі руки?

5. На якому фізичному явищі ґрунтується вживання рушників?

6. Чому розтікається чорнило під час письма на папері поганої якості?

7. Чому вода піднімається по тонких трубках і має ввігнутий меніск, а ртуть опускається і її поверхня має опуклий меніск?

Задача № 1: Соломинка довжиною 6 см плаває по поверхні води. З одного боку на неї крапають мильним розчином. З яким прискоренням почне рухатись соломинка, якщо її маса 1 г?

Задача № 2: Порівняйте висоти підняття води і гасу в капілярах однакового радіуса. 

VІІІ. Оцінювання роботи учнів. Рефлексія.

Згадайте свої очікування від уроку й закінчіть фразу:

- Я вважаю, що очікувані результати досягнені, тому що…

Або:

- На жаль, мої очікування не виправдались, тому що…

 ІX. Домашнее задание.

Параграф 26, 27 вивчити. Вправа 3 №13,14 розв’язати. (питання після параграфів 26, 27 письмово).