Відкритий урок "Дослідження капілярних явищ"

Відкритий урок "Дослідження капілярних явищ"

     Інформативний матеріал призначений для  використання при вивченні  розділу   „ Гази, рідини, тверді тіла”   предмету „ Фізика”   в 10  класі. В ньому  розкриваються  міжпредметні зв’язки фізики і будівництва .
     Проводиться ознайомлення з методами вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу води і ефективного діаметру капілярів різних будівельних матеріалів..
     Матеріал можна використати при проведенні лабораторної роботи чи роботи фізичного практикуму.

Матеріал підготувала: Ніколіна С.М . - викладач   вищої  категорії з  фізики, ВХПТУ № 5 м. Вінниці.

     Головною особливістю вибраної теми є доступність лабораторного обладнання і досліджуваних матеріалів, що важливо. Крім того, тема зрозуміла будь-якій людині і цікава з погляду зіставлення  теоретичного матеріалу  і даних, одержаних власноручно. Важливо і те, що надається можливість повторити за 1-2 заняття основні ідеї  розділу фізики 10-го класу («Поверхневі і капілярні явища»  а також перевірити роботу фізичних законів на практиці.

     Пропоновані дослідження корисні, оскільки дозволяють розширити спектр лабораторних експериментів і наблизити теорію, що вивчається, до повсякденного життя. Крім того, ідея може бути корисна вчителям, що працюють за скороченою програмою: якщо не вистачає часу для вирішення достатньої кількості задач, то можна хоч би показати роботу законів, що вивчаються, і формул на яскравих прикладах.
     Матеріал даної теми тісно пов’язаний із матеріалом, що вивчається на предметах матеріалознавство і спецтехнологія для будівельного профілю. Вивчення понять гігроскопічність, водовбирання, необхідність влаштування гідроізоляції можна пояснити на основі фізичних явищ – змочування і капілярності. При проведенні лабораторних робіт з матеріалознавства на визначення водовбирання будівельних матеріалів і виникає тісний зв’язок із капілярними явищами. При наявності гідравлічного преса можна продемонструвати залежність міцності матеріалів від їх вологості, а отже практично підтвердити необхідність гідроізоляції, бо міцність вологих матеріалів набагато менша ніж сухих.
     Пропоновану розробку можна використати не тільки при навчанні будівельників, а й для майбутніх працівників легкої промисловості чи сфери послуг. Для цього можна використати дослідження явища капілярності в тканинах, серветках, папері і т.д. Також дане дослідження можна винести на фізичний практикум.
     При проведенні дослідів, якщо висоту стовпчика води, піднятого по капіляру, видно погано, то воду потрібно підфарбувати чорнилом, але в цьому випадку і всю решту дослідів слід проводити з такою ж підфарбованою водою (і при такій же концентрації чорнила). Щоб прискорити процес підняття води, можна спочатку опустити трубку нижнім кінцем до дна стакана, а потім трубку підвести - «зайва» вода виллється в стакан, а залишиться лише стовпчик відповідної висоти. Якщо ширина стакана дозволяє, то можна лінійку помістити прямо в стакан, а якщо ні, то - зовні, ближче до стінки стакана. 
     Для проведення занять необхідно наперед підготувати наступні прилади і матеріали: капілярні трубки внутрішнім діаметром 2-4 мм; штативи лабораторні з кронштейнами;  кювети для води; вимірювальні лінійки пластмасові; затискачі для матеріалів  металеві;  стакани для води великі (250-500 мл); стакани для води малі (100-150 мл); туалетний папір;  лінійки. Якщо в кабінеті немає скляних капілярних трубок, можна використовувати прозорі трубочки для коктейлю.
     Для унаочнення матеріалу уроку було розроблено комплект слайдів, для демонстрації яких  в електронному варіанті можна використати мультимедійний проектор, також можна використати кодоскоп, для якого дані слайди роздруковуються на прозорій плівці.


Тема уроку: Дослідження капілярних явищ.

Тип уроку: формування вмінь та навичок.

Метод :  урок – дослідження.

Форма роботи: робота малими групами.

Очікувані результати 

Після цього уроку учні зможуть:
 

• аналізувати формули для розрахунку висоти підняття  рідини по капіляру;           
• отримати практичні навички визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини;
• отримати практичні навички визначення середнього діаметру капілярів в пористому матеріалі;
• виробити уміння зіставляти і аналізувати результати досліджень,
• робити висновки з проведеної роботи.

Обладнання : капілярні трубки внутрішнім діаметром 2-3 мм; штативи лабораторні з кронштейнами ; кювети для води; вимірювальні лінійки пластмасові; затискачі для матеріалів  металеві; стакани для води великі (250-500 мл); стакани для води малі (100-150 мл); зразки досліджуваних матеріалів .

 

Орієнтовний план та методи проведення уроку.

1. Мотивація навчальної діяльності. Актуалізація опорних знань учнів. (інтерактивний  метод «Модерація»)
2. Оголошення теми і очікуваних результатів .
3. Інтерактивна вправа дослідження .
4. Підведення підсумків (рефлексія) уроку.

 

Те  , що я чую, я забуваю.
Те, що я бачу, я пам’ятаю.
Те, що роблю, я розумію.
Конфуцій.

1.Мотивація навчальної діяльності. Актуалізація опорних знань учнів. (інтерактивний  метод «Модерація»)

     Скажіть будь-ласка з якою метою ви прийшли  навчатися в училище?   (відповідь)              
     А яке думка найчастіше приходить у ваші голови, коли ви йдете на уроки фізики, хімії, чи математики ?  (відповідь)
     Сьогодні на уроці ми спробуємо пов’язати фізику і будівництво,  побачити як можна застосувати ці знання на практиці.  
     Можливо ви уже знаєте, як організовують роботу будівельників на виробництві ?
•   (бригадами). 
     А  як нараховується і виплачується  зарплата?
•   (на бригаду)
     А що враховується при виплаті зарплати?  
•   ( об’єми  та якість роботи)
•    (дисципліну),
•   (дотримання правил  охорони праці),
     І  враховуючи  коефіцієнт трудової участі – зарплата  виплачується кожному працівникові.
     Сьогодні і ми спробуємо розділитись на  бригади (групи) і  для оцінювання застосуємо підхід, подібний  до виробничого.  
     Вам потрібно у групах  розподілити ролі  між собою .  
     Потрібно обрати :  
- керівника  дослідження, який і буде презентувати результати;
- лаборантів-дослідників, що будуть проводити досліди і надавати результати для обчислень;
- експерта з математичного обробітку результатів;
 - експерта з оцінювання та охорони праці, який в листі оцінювання (що знаходиться у вас  в комплекті матеріалів) буде відмічати вклад кожного в загальну справу , також буде слідкувати за охороною праці згідно інструкції, яка також у вас на столах .
(Час для розподілу ролей  2 хв.)

     Оцінювання ми проведемо наступним чином. Ось на дошці є таблиця:
 

     В таблицю асистентом  будуть вноситись результати . За кожну правильну відповідь   члена групи – 1 бал (самоклейка червоного кольору), неповну відповідь - 0,5 бала (самоклейка зеленого кольору) . Також ви зможете отримати бали за якість та точність вимірювань, активність. В кінці ми підведемо підсумки. Група, яка набере найбільше балів - (1 місце) зможе отримати  максимальний бал – 10 балів, яка отримає 2-ге місце - 9 балів,  3-тє місце  8 балів і т. д. А далі враховуючи  бал групи і особистий внесок кожного, експерт оцінить Вашу роботу. Оцінка ж самого експерта це - середній бал групи плюс можливий бал за об’єктивність.  
     Отже  згадаємо, що ми вивчили раніше. Оцінювання після кожної відповіді.
• Які спеціальні предмети ви вивчаєте, щоб оволодіти професією? (відповідь) 
     На матеріалознавстві ви вивчали властивості матеріалів. 
• А які фізичні властивості будівельних матеріалів ви знаєте ? (густина, пористість, гігроскопічність, морозостійкість, водопоглинання….)
• Що таке водопоглинання ? (це здатність матеріалу вбирати і утримувати в своїх порах воду )я
• А як ви думаєте за рахунок якого явища матеріали вбирають воду ? (капілярності)
• А що таке капілярні явища? ( це явище підіймання або опускання рідини у вузьких трубках – капілярах )
•  Коли відбувається підіймання рідини в капілярах? (коли рідина змочує тверде тіло)
• Коли відбувається опускання рідини в капілярах? (коли рідина не змочує тверде тіло)
• Що таке меніск в капілярних явищах ?  (це викривлена поверхня на межі  рідини і твердого тіла) 
• А від чого залежить висота підняття рідини в капілярі? (показ слайду № 1)
(від діаметра капіляра, коефіцієнта поверхневого натягу….) 

 

     2. Тема нашого уроку : „Дослідження капілярних явищ ” і сьогодні ваше  експериментальне       завдання – визначити діаметри капілярів різних будівельних матеріалів.(показ слайду ) (записати у зошити)
 

     На уроці потрібно буде провести дослідження із  зразками будівельних матеріалів, розрахувати коефіцієнт поверхневого натягу води, навчитись визначати середній діаметр капіляра у будівельних матеріалах. (показ слайду ) (записати у зошити)
 

     3.Робота в групах.
     Але перед початком виконання дослідження ми повинні згадати про  безпеку праці. Отже поговоримо з нашими експертами з охорони праці та лаборантами. 
• Що треба пам’ятати при роботі із скляним посудом?
( ….. ) - оцінювання
• Які можливі небезпеки в роботі?
(….. ) - оцінювання
• Що ви робите по закінченні роботи?
( ….. ) - оцінювання

     З матеріалознавства ви знаєте , що важливою властивістю матеріалів  є водовбирання  Ця  властивість  говорить про середній діаметр капілярів в матеріалі, чим тонші капіляри, тим на більшу висоту  проникає волога. Оскільки розглядувані матеріали  є продуктом промислового виробництва, то неможливо забезпечити строгу постійність діаметру капілярів. Тому йдеться саме про середній або, як його ще називають, ефективний діаметр капіляра  (демонстрація слайду ).
 

     Експериментальне завдання кожної групи     визначити  діаметр  капіляра. А для цього спочатку потрібно  визначити  h,  ρ,   σ. 
     Щоб знайти висоту підняття рідини в матеріалі потрібно лаборантам  підійти до столу, взяти досліджуваний зразок, який відповідає номеру вашої групи    і згідно інструкційних карт  : 
1) закріпити досліджуваний зразок у тримачі, так щоб лінія занурення була внизу;
2) налити воду у посудину; 
3)  обережно опустити зразок у воду  на глибину  до лінії занурення .

     Це відбувається на окремому столі, щоб випадковий поштовх не вплинув  на результати дослідження.
 
     Поки вода піднімається по  капілярах, ми працюємо далі.
     При виробництві цегли чи плитки в ній утворюються капіляри, але вони не прямі і рівні, а подібні до представлених на слайді.(демонстрація слайдів )
 

     Важливо, що якщо капіляр нахилений до поверхні рідини, то висота підняття рідини від величини кута нахилу не залежить. Із зменшенням цього кута збільшується довжина l стовпчика рідини в капілярі, але не висота підняття. При похилому положенні капіляра висота підняття і довжина стовпчика рідини в капілярі зв'язані простою залежністю. 
     Це означає, що як би не розташовувалися капіляри у волокнистій або пористій структурі (строго вертикально, під кутом до вертикалі або навіть з розгалуженнями), (демонстрація слайду) висота підняття рідини залежатиме тільки від σ, ρ , d   і g.
 

     Знову повернемось до формули визначення діаметра капіляра . Бачимо, що крім висоти підняття рідини треба ще знайти коефіцієнт поверхневого натягу води. (демонстрація слайду )
 

     У наших дослідах як рідина використовуватиметься звичайна водопровідна вода (густина по таблиці 1000 кг/м3). (демонстрація слайду )
 

     Але це значення, строго кажучи, відповідає дистильованій воді при температурі 15-20°С. З підвищенням температури відстань між молекулами води збільшується, а густина води зменшується. Проте відмінність дуже мала, і нею можна знехтувати.
     Інша ситуація з коефіцієнтом поверхневого натягу. Його - табличне значення для води 73 мН/м. (демонстрація слайду ) 
 

     Але це відповідає знову  таки дистильованій воді при температурі 20 °С. Інша температура і наявність у воді домішок впливають на значення коефіцієнта поверхневого натягу дуже суттєво, тому доведеться знаходити його значення конкретно для тієї води, з якою проводиться експеримент. Вода  була підготовлена наперед, щоб її температура дорівнювала температурі повітря в кабінеті і протягом уроку  вже не змінювалася.

     Визначимо коефіцієнт поверхневого натягу за висотою підняття рідини відомої густини та за капіляром відомого внутрішнього діаметру(демонстрація слайду ).
 

     Єдиний нюанс  в цьому способі в тому, що для достатньо точного визначення внутрішня поверхня капіляра повинна бути чистою. Для цього ми обробили її спиртом. Для того щоб  висоту стовпчика води, піднятого по капіляру, було добре видно, то воду  підфарбували чорнилом,  і тому решту дослідів  проводимо з такою ж підфарбованою водою. Щоб прискорити процес підняття води,  спочатку опускаємо трубку нижнім кінцем до дна стакана, а потім трубку підносимо - «зайва» вода виллється в стакан, а залишиться лише стовпчик відповідної висоти. Цю висоту вимірюємо лінійкою . Висота стовпчика рідини вимірюється від поверхні води в стакані до нижньої точки меніска в капілярі.
     Тому будь – ласка згідно інструкційних карт : 
1. За допомогою самок лейки прикріпіть скляний капіляр до лінійки.        
2.Опустіть капіляр в посудину з водою до дна.
3. Піднесіть капіляр до поверхні посудини, щоб зайва вода вийшла.    
4. Виміряйте висоту підняття рідини від поверхні води до нижньої точки меніска в капілярі. Отримане значення переведіть  в метри.
5. Згідно формули   (демонстрація слайду ) 
 

 розрахуйте коефіцієнт поверхневого натягу, результат запишіть у таблицю на дошці.      При розрахунках врахуйте, що 
g = 9,8 м/с2, ρ = 1000 кг/м3, d =  3• 10-3 м.

     Отже ви визначили  коефіцієнт поверхневого натягу води.

     Тому керівники груп подайте результати. В таблицю вносимо результати всіх досліджень і знаходимо середнє значення. 
 

     Група, яка найточніше до середнього значення визначила коефіцієнт поверхневого натягу, отримує максимальний бал - 5, а далі в залежності від результату досліджень.
     Тепер нам потрібно повернутись до наших  досліджуваних зразків і визначити висоту підняття води по капілярах. 

     Згідно інструкційних карт:
1.    Підніміть зразок з води .
2.    Звільніть досліджуваний зразок з тримача.
3.    Промокніть його серветкою
4.    Виміряйте лінійкою середню  висоту підняття рідини  від лінії  занурення до границі змочування.
5. Розрахуйте середній діаметр капіляра за формулою 
    (демонстрація слайду ) .
 

     При розрахунках врахуйте, що 
g = 9,8 м/с2,  ρ= 1000 кг/м3  , а значення поверхневого натягу ви вже визначили, тому беремо середнє значення з таблиці.
 
     Отриманий результат подайте для демонстрації  та запишіть в таблицю в зошит .  
 

      Проаналізуємо отримані нами дані про розміри діаметру капілярів. Вони  трохи  наближені, так як, для більш точного дослідження треба, щоб зразки триваліший час перебували в воді.
     Але на основі цих даних  та ваших знань про виготовлення будівельних матеріалів керівники, будь-ласка, зробіть висновки. Максимальний бал за цей етап дослідження і за висновки керівників  5 балів.

     Виступи керівників груп.
     1) Силікатна цегла виготовляється із суміші вапна , води і піску. Вона виготовляється шляхом формування цієї суміші і наступним автоклавним обробітком. Так як це відбувається при невисоких температурах, то частки не спікаються і діаметр капілярів великий, тому вода піднімається  невисоко.
     2) Керамічна звичайна цегла виготовляється з глиняної маси , шляхом формування висушування, з наступним випалюванням. Вона належить до пористих матеріалів. Через це містить багато вузьких капілярів, по яких підіймається вода.
     3) Лицьова керамічна цегла характеризується правильною формою , чіткими гранями і рівним кольором . Вона виготовлена з глини шляхом формового пресування з подальшим випалюванням. Через попереднє пресування діаметр капілярів у цій цеглі менший ніж у звичайній, тому рідина піднімається на більшу висоту.
     4) Керамічна плитка для стін виготовлена шляхом пресованого формування глиняної маси з наступним випалюванням. Одна сторона якої покривається скловидним шаром „глазурується’’ і закріплюється на поверхні шляхом випалювання при високих температурах. Так як даний матеріал належить до пористих то в ньому є багато капілярів, по яких вода піднімається на велику висоту.
     5) Плитка для підлоги хоч і також виготовляється з глиняної маси, але випалюється при вищих температурах, в результаті чого вона спікається і тому погано пропускає рідини і гази. Вона також  „глазурується’’.

     Таким чином провівши наше дослідження ми з вами ще раз підтвердили свої знання про:   
поверхневий натяг;
капілярні явища;
змочування ;
меніск.

     Оцінювання роботи учнів по групах. Підраховуються набрані бали і по сумі виставляються максимальні бали групам. Експерти з оцінювання заповнюють листки оцінювання і здають викладачу.

     Дебрифінг:
     Що Вам сподобалось сьогодні на уроці?
     Який досвід здобули на уроці?
     Що не сподобалось в проведенні уроку?
     Що особисто досягли після цього уроку?

     Домашнє завдання :

     1.    Ви на тривалий час залишаєте своє помешкання, і вам необхідно забезпечити полив вазонів. Як це можна зробити, знаючи, що в природі існують капілярні явища, і у вас є наприклад нитки для в’язання. Запропонуйте варіанти поливу.
     2.    Чому для видалення з поверхні тканини жирової плями рекомендується змочувати просоченою бензином ваткою краї плями, змочувати саму пляму не рекомендується?