Урок "Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг. Капілярність"

Тема: Властивості поверхні рідини. Змочування. Капілярність.

Мета:

Розвиваюча: розвиток спостережливості, логічного мислення, уяви, зорової пам’яті;

Дидактична: детальніше розглянути рідкий агрегатний стан, поверхневий натяг, явище змочування і незмочування рідинами поверхні твердих тіл, явище капілярності;

Виховна: виховання наполегливості в здобутті знань, зацікавленості фізикою. Тип уроку: урок вивчення нової теми.

Обладнання: склянка з водою, голка, капіляри різних діаметрів, таблиця «Поверхневий натяг рідин». 

Методи і прийоми: «еврістична бесіда», провокація, створення проблемної ситуації.

План уроку

1.     Мотивація навчання.

2.     Пояснення нової теми.

3.     Усвідомлення вивченого матеріалу:

-         Відповіді на питання;

-         Пояснення експерименту;

-         Робота з таблицею;

-         Робота з підручником;

4.     Підведення підсумків, домашнє завдання.

Хід уроку Мотивація навчання. 

Демонстрація експерименту і постановка проблеми.

1.     В склянку з водою обережно опускається голка так, щоб вона не занурилась. Голка плаває.

Питання: густина сталі, з якою зроблена голка, більша ніж густина води.

Тоді голка повинна потонути. Чому ж вона не тоне?

Учні пригадують Архімедову силу, але розуміють, що незважаючи на її дію, голка повинна тонути. Отже, учні зіткнулися з ситуацією, яку не можуть розв’язати за допомогою уже наявних знань.

2.     В склянку занурюється тоненька трубка. Учні бачать, що рівень води в ній вищий. Питання: Чи можна трубку і склянку вважати сполученими посудинами?

Учні погоджуються, так як трубка не доторкається до дна.

-         Тоді рівень в воді в трубці і склянці повинні бути на однаковому рівні. 

      Учні знов стикаються з протиріччям, яке не можуть розв’язати.

-         Тож треба розглянути властивості поверхні рідини або поведінку рідин саме в тонких трубках, які називаються капілярами.

Пояснення нового матеріалу

Як вам відомо з курсу фізики попередніх років, рідина – це агрегатний стан, проміжний між газоподібним і твердим. Подібно до твердих тіл, рідини мають об’єм, а подібно до газів набувають форми посудини, в якій містяться. Молекули рідини мало зв’язані між собою, але все ж сильніше, ніж гази. До 30-х років ХХ сторіччя вчені вважали, що рідини за своєю структурою подібні до газів і відрізняються від них лише меншими відстанями між частинками і більшими силами взаємодії між ними. Довгий час мало було відомо і про поверхню рідини. Але якщо людина входить в воду з берега, то зробити це легко. Але якщо людина стрибає з вишки і вдариться об поверхню води, то сильно заб’ється (в такому випадку рідину можна навіть порівняти з твердим тілом). Чому?

Учні виказують припущення про плівку, що створює рідина.

Розглянемо, як взаємодіють молекули між собою в середині рідини і на її поверхні. 

Розглянемо молекулу А. Вона взаємодіє з усіма молекулами навколо себе. Рівнодійна всіх сил дорівнює нулю. Інша ситуація у молекули В, яка знаходиться на поверхні. Рівнодійна всіх сил направлена вниз.

Таким чином до кожної молекули поверхневого шару прикладена сила, яка прагне втягти її всередину рідини. Внаслідок цього молекули поверхневого шару мають потенційну енергію.

Молекули поверхневого шару притягуються не лише частинками, розміщеними нижче від них, а й своїми сусідами. Сумарна дія цих сил є поверхневим натягом рідини. Його характеризують силою F, прикладеною до контуру l, який обмежує поверхню рідини і називають силою поверхневого натягу σ=F/l.

Коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в Н/м. Він є сталим, залежить від рідини і не залежить від довжини поверхні.

Сила поверхневого натягу спрямована перпендикулярно до будь-якого елемента лінії, проведеного на поверхневій плівці вздовж дотичної до поверхні рідини, тож має скоротити її поверхню. 

Ми розглянули поверхню рідини. А як взаємодіє рідина з стінками посудини?

-         Всім відомо, що ртуть на більшості поверхонь збирається в окремі краплі.

А от на цинку, міді чи залізі вона розпливеться тонким шаром. Чому?

-         В першому випадку молекули ртуті сильніше взаємодіють між собою, а от з міддю, цинком чи залізом молекули ртуті, очевидно, взаємодіють сильніше ніж між собою. 

-         Вірно. Таке явище називається змочуванням. Змочування рідиною твердого тіла пояснюється тим, що зчеплення між молекулами рідини і твердого тіла сильніше за притягання між частинками рідини. Поверхневий натяг залежить не лише від властивостей даного рідкого тіла, а й властивостей обох середовищ, які дотикаються. Змочування чи не змочування рідиною стінок посудини, в яку вона налита, впливає на форму її поверхні.

-         Розгляньте малюнок і скажіть, в якому випадку рідина змочує, а в якому – ні стінку посудини.

(Відповідь: а – так, б - ні).                                                                      

Зверніть увагу: біля стінок посудини поверхня рідини викривлена та вище або нижче рівня основної рідини в капілярі.

-         Від чого залежить висота підняття рідини в капілярі?

Учні виказують думку, що від речовини і діаметра трубки.

Демонстрація досліду:

1) Декілька капілярних трубок опущені в воду і рівень води різний; 2) Однакові трубки занурили в воду і мильний розчин (висота теж різна).

Дослід підтверджує ці припущення. Але давайте доведемо це математично. Обчислимо додатковий тиск для сферичної поверхні рідини. Розсічемо сферичну краплю на дві півкулі, поверхнева плівка цих двох півкуль обмежена        колом         2πR, де          R       –        радіус         краплі.             

Внаслідок поверхневого натягу обидві півкулі притягуються з силою

F=2πRσ.

Це                           створює                           додатковий                           тиск

P=2σ/R - додатковий тиск під опуклою поверхнею сферичної плівки. Ця формула називається формулою Лапласа. Її можна застосувати для обчислення висоти підняття рідини в капілярній трубці:

Р=ρgh

P=2σ/R

Тоді  

Якщо рідина не змочувана, то за цією формулою обчислюється не висота піднімання, а опускання в ній рідини.

Усвідомлення вивченого матеріалу Відповіді на питання:

1.     Як зміниться висота підняття рідини в капілярі, якщо його діаметр зменшити вдвічі? (Збільшиться в два рази)

2.     У посудинах гаряча і холодна вода. Чи відрізняються їх коефіцієнти поверхневого          натягу?       Як?    (Так, у        гарячої       води коефіцієнт поверхневого натягу менше, бо менше взаємодія між молекулами, внаслідок їх інтенсивнішого руху.)

3.     У посудину з гарячою водою опущено капіляр. Чи зміниться рівень води під час охолодження? (Так, коефіцієнт поверхневого натягу збільшиться, отже, і висота підняття рідини збільшиться). Пояснення експерименту

1)    На голку діє сила поверхневого натягу, крім архімедової сили. Вона  підтримує голку. 

2)    Вчитель «розкриває секрет» (якщо учні не здогадаються), що голку треба опускати обережно, а краще кинути горизонтально з невеликої висоти, щоб не доторкнутися пальцями до води. Крім того голку треба потримати деякий час в руках. Шкіряний жир не змочується водою і полегшить процес. 

3)    Учні пояснюють, що крім атмосферного тиску на поверхню рідини діє додатковий лапласовий тиск. В звичайних сполучених посудинах діаметр трубки великий і капілярність непомітна на відміну від даного експерименту.

Робота з таблицею

Учні ознайомлюються з таблицею поверхневого натягу рідин.

Питання: «Мисленний експеримент» - скляну пластинку підвісили до динамометра, а після цього до торкнули до поверхні рідини і відірвали від неї. Для якої з рідин (ртуті, води чи гасу) динамометр покаже в момент відриву найбільшу силу.

- Сила залежить від коефіцієнта поверхневого натягу і довжини поверхні. Так як пластинки однакові, то найбільшу силу динамометр покаже для ртуті. (σ_в=72мН/м, σ_р=470 мН/м, σ_г=24 мН/м). Робота з підручником (§22)

Знайти, як впливають різні домішки на поверхневий натяг води.

1.     ПАР (мило, пральні засоби і ін.) зменшують;

2.     Солі важких металів збільшують;

Домашнє завдання (1 – обов’язково, 2-4 – диференційовано):

1.     Вивчити §22, 23

2.     Підібрати повідомлення про приклади застосування поверхневого натягу і капілярності в природі і техніці.

3.     Задача:

Сполучені капілярні трубки різного діаметра заповнили водою. Як зміниться рівень води в трубці при нагріванні?

4.     Вислів «носити воду в решеті» означає неможливість щось зробити. А чи дійсно це неможливо? Як все ж таки це зробити?