Конспект урока по физике 10 класс по теме "Поверхностное натяжение жидкости. Капилярность"

Конспект урока по физике 10 класс

«Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность»

Цели урока:

Помочь усвоить понятия сила и коэффициент поверхностного натяжения, смачивание, капиллярные явления, познакомить с методами определения коэффициента поверхностного натяжения. Продолжить формирование умений планировать и проводить самостоятельный учебный эксперимент. Наблюдать, сравнивать и делать выводы. Продолжить воспитание умений грамотной организации рабочего места, бережного отношения к оборудованию, умение работать в сотрудничестве с другими.

Ход урока:

В окружающем нас мире наряду с тяготением, упругостью и трением действует еще одна сила, на которую мы обычно не обращаем внимание. Она сравнительно невелика, но в природе и нашей жизни играет немалую роль. Это сила поверхностного натяжения.

Тема урока «Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность». Мы выясним, от чего зависит сила поверхностного натяжения, как она влияет на поведение жидкости в тонких трубках, а также в чем причины смачивания или не смачивания твердого тела жидкостью.

Проведем опыт №1 «Кувшинка»

Будем использовать самодельный пробор, который состоит из пробки, с подвешенным на нее грузом. В пробку помещены иголки, на которые одета проволочная петелька.

Возьмем пробку и аккуратно поместим в воду. Наблюдаем, что пробка плавает так, что проволочная петля с иголками выступает над поверхностью воды.

Теперь с помощью стеклянной палочки опустим пробку с проволочной петлей так, чтобы петля полностью находилась в воде. Убираем палочку и наблюдаем, что прибор остался плавать в таком положении, и не всплывает.

Если сейчас приподнять пробку так, чтобы проволочная петля оказалась над поверхностью воды, то она снова будет плавать, как и в первом случае.

Причиной тому, что пробка не могла всплыть самостоятельно, есть явление поверхностного натяжения пленки воды, которая образовалась на проволочной петле.

Вывод: Существует явление поверхностного натяжения воды.

Рассмотрим еще один опыт №2 «Проволочный каркас с нитью»

Возьмем проволочный каркас и привяжем к нему нить, длина которой больше диаметра каркаса. Погрузим каркас в мыльный раствор и получим пленку. Нить на ней лежит в произвольном положении. Проколем пленку с одной стороны нити. Наблюдаем, что пленка, оставшаяся с другой стороны нити, сокращается, натягивая нить. Таким образом, поверхность жидкости обладает следующим свойством: она стремится сократиться так, чтобы ее площадь поверхности стала минимальной. Силы, стремящиеся сократить эту поверхность, называются силами поверхностного натяжения.

Определение.

Сила поверхностного натяжения – сила, действующая вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремящаяся сократить ее до минимума.

Чтобы объяснить стремление жидкости к минимизации площади своей поверхности рассмотрим следующий рисунок.

Молекула, находящаяся внутри жидкости, со всех сторон окружена соседними молекулами, которые «тянут» ее во все стороны одинаково, и равнодействующая сил взаимодействия равна нулю. Молекула, находящаяся на поверхности, соседей сверху не имеет. Поэтому молекула испытывает притяжение со стороны молекул, находящихся внутри жидкости. Равнодействующая сил, действующих на молекулу, расположенную на поверхности, направлена внутрь жидкости. Следовательно, жидкость стремится сократить свою свободную поверхность до минимума.

Опыт №3 с проекционным динамометром.

Чтобы измерить силу поверхностного натяжения и установить от чего она зависит, проделаем следующий опыт. Прикрепим к чувствительному динамометру проволоку, изогнутую в виде петли длиной а. Подставим под проволоку сосуд с водой так, чтобы проволока коснулась поверхности воды и «прилипла» к ней. Будем медленно опускать сосуд с водой. Мы увидим, что вместе с проволокой поднимается обволакивающая ее водная пленка, а показания динамометра постепенно увеличиваются. Оно достигает максимального значения в момент разрыва водной пленки и «отрыва» проволоки от воды. Запомним значение силы. Поменяем проволоку, увеличив ее длину. Повторим опыт. Увидим, что значение силы увеличилось. (таблицу на слайде заполнить а и F)

Более тщательные измерения позволили бы установить, что сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине границы поверхностного слоя жидкости, которую обозначают буквой l.

Если ввести коэффициент пропорциональности, то можно записать

- коэффициент поверхностного натяжения.

Он равен отношению модуля силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя l , к длине данного слоя.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения Н/м.

Как вы думаете, от чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

Коэффициент поверхностного натяжения зависит:

- от вещества,

- от температуры.

Опыт №4 с водой, листочками (тальком), мылом и сахаром.(Видео)

Давайте проверим это на опыте.

Фронтальный лабораторный опыт: исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от рода вещества.

Оборудование: 2 стакана с водой, тальк (или мелко нерезаные листочки бумаги), кусочек мыла, кусочек сахара.

Посыпьте тальком поверхность холодной воды в стакане. Коснитесь поверхности воды в одном стакане кусочком мыла, а в другом - кусочком сахара. Что при этом наблюдается?

Ответьте на вопросы:

1) Как изменился коэффициент поверхностного натяжения воды при растворении в ней мыла? УМЕНЬШАЕТСЯ

2) Как изменился коэффициент поверхностного натяжения воды при растворении в ней сахара? УВЕЛИЧИВАЕТСЯ

Коэффициент поверхностного натяжения при температуре 20⁰С

Существует несколько методов определения коэффициента поверхностного натяжения.

- метод отрыва петли

- метод поднятия жидкости в капилляре

- метод отрыва капель

С первым методом мы познакомимся чуть позже при решении задач.

Метод отрыва петли

Второй метод может быть осуществлен на установке с чувствительным динамометром. Вспомним данные нашего опыта: при длине петли a = … мм сила поверхностного натяжения была … мН. Учтем, что пленка, образовавшаяся на проволочной петле, представляет собой тонкий слой жидкости и имеет две свободные поверхности (см. рис). Это означает, что длина поверхности соприкосновения воды и проволоки равно удвоенной длине проволочной петли.

Тогда . Мы получили коэффициент поверхностного натяжения воды мН/м.

Метод поднятия жидкости в капилляре

Давайте познакомимся с явлениями, происходящими в капиллярах.

Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках – капиллярах – по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Оказалось, что если жидкость смачивает капилляр, то она в нем поднимается, а если жидкость не смачивает капилляр, то она по нему опускается.

Как вы понимаете выражения: «жидкость смачивает твердое тело», «жидкость не смачивает твердое тело». В чем это проявляется?

Если нанести каплю жидкости на поверхность стола, что с ней произойдет?

(Она растечется по поверхности и будет иметь следующую форму)

Поместим каплю воды на пластинку покрытую парафином, что с ней произойдет?

(Капля принимает форму сплюснутого шара)

Почему капли ведут себя по-разному?

На границе двух сред молекулы жидкости взаимодействуют не только между собой, но и с частицами твердого тела.

Если силы притяжения между молекулами жидкости и частицами твердого тела больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости, то возникает явление смачивания ().

Если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твердого тела, то жидкость не смачивает твердое тело ().

Форма поверхности жидкости в том месте, где она соприкасается с твердой стенкой сосуда, зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость сосуд (см. рис.)

В результате такого искривления поверхность жидкости в капиллярах становится изогнутой.

Ее называют мениском (от греческого слова meniskos – лунный серп).

Смачивающие жидкости имеют вогнутый мениск, несмачивающие – выпуклый.

Задача. Открытая с обоих концов капиллярная трубка радиусом r опущена вертикально в жидкость плотностью . На какую высоту h над уровнем жидкости в сосуде поднимется жидкость в капилляре.

Дано:

Найти:

Решение:

Силы поверхностного натяжения, действующие на искривленную поверхность и направлены по касательной к ней, дают равнодействующую, направленную вверх. Это приводит к тому, что жидкость, смачивающая стенки капилляра, будет подниматься до тех пор, пока сила тяжести, действующая на поднявшуюся жидкость в трубке, не станет равной по модулю силе поверхностного натяжения.

Сила тяжести, действующая на столбик жидкости высотой h равна:

Сила поверхностного натяжения, действующая вдоль границы слоя жидкости, равна:

Жидкость в трубке находится в равновесии, поэтому

,

откуда

Опыт по определению диаметра капилляров.

Измерение среднего диаметра капилляров в теле.

1. Возьмите концы полосок из промокательной бумаги и ткани в одну пуку и одновременно прикоснитесь другими концами к поверхности воды в стакане. Наблюдайте за поднятием воды в обеих полосках.

2. Как только поднятие воды прекратится, выньте обе полоски. В какой полоске диаметр капилляров больше?

3. Выполните необходимые измерения и вычислите средний диаметр капилляров в обеих полосках. Используя формулу:

А.П. Рымкевич. Задача № 581

Закрепление:

1. Что такое сила поверхностного натяжения?

2. От чего зависит сила поверхностного натяжения?

3. Что такое коэффициент поверхностного натяжения?

4. От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения?

5. Какие существуют методы его определения?

6. Что понимают под капиллярными явлениями?

7. Что значит, жидкость смачивает твердое тело?

8. Что значит, жидкость не смачивает твердое тело?

7