Конспект уроку з фізики на тему: Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг.

Міністерство освіти і науки України

Державний начальний заклад «Бердичівське вище професійне училище»

Розробив викладач

фізики та астрономії

О.В.Осипчук

2014 р.

Тема: Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини

Навчальна мета: поглибити і розширити уявлення про властивості рідини; пояснити і охарактеризувати поняття поверхневого шару; розкрити природу сил поверхневого натягу; формувати експериментальні навички.

Розвиваюча мета: розвивати логічне мислення та індивідуальні здібності учнів, вміння спостерігати і самостійно робити висновки.

Виховна мета: формувати розуміння суспільної ролі наукових знань, виховувати почуття колективізму, інтересу до предмета.

Тип уроку: урок вивчення нових знань.

Методична мета: активізація пізнавальної діяльності учнів на заняттях у процесі виконання дослідів; використання групової роботи учнів у процесі вивчення нового матеріалу.

Хід уроку

І. Організаційний момент.

Оголошення теми і мети уроку.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

Усне опитування.

1. Що розуміють під вологістю повітря?

Вологість повітря — вміст водяної пари в повітрі, характеризується пружністю водяної пари, відносною вологістю, дефіцитом вологи, точкою роси, — є одним з найважливіших параметрів атмосфери, що визначає погоду, а також те, наскільки комфортно почуває себе людина в цей момент часу.

1. Що називають абсолютною вологістю повітря? Яка формула виражає зміст цього поняття? У яких одиницях її виражають?

Вологість повітря — вміст водяної пари в повітрі, характеризується пружністю водяної пари, відносною вологістю, дефіцитом вологи, точкою роси, — є одним з найважливіших параметрів атмосфери, що визначає погоду, а також те, наскільки комфортно почуває себе людина в цей момент часу.

1. Що таке пружність водяної пари?

Пру́жність водяно́ї па́ри — тиск водяної пари, що утримується в повітрі. Зазвичай приводиться в мілібарах (мб).

1. Що називають відносною вологістю повітря? Які формули виражають зміст цього поняття у фізиці і метеорології? У яких одиницях її виражають?

Відносна вологість повітря φ – це відношення абсолютної вологості до тої маси або парціального тиску водяної пари Рmax, яка насичує повітря за такої ж температури. Як правило, відносну вологість виражають у відсотках.

φ = (Р/Рmax)∙100% = (ρ/ρmax)∙100%

де Р, ρ – пружність пари або абсолютна вологість.

1. Відносна вологість повітря 70 %. Що це означає?

Це означає, що в 100 м3 повітря знаходиться 70 м3 води у вигляді водяної пари.

1. Що називають точкою роси?

То́чка роси́ — температура, при якій повітря досягає стану насиченості при даному вмісті водяної пари. Вимірювання точки роси використовується в психрометрах для визначення вологості повітря.

1. За допомогою яких приладів визначають вологість повітря?

Вологомір, гігрометр, гігрограф, датчик вологості, психрометр, аспираціоний психрометр, психометричний гігрометр, деформаційний гігрометр, волосяний гігрометр, плівковий гігрометр, резистивний вологомір, ємнісний вологомір, електролітичний гігрометр, електролітичний підігрівний гігрометр крапки роси, нейтронний вологомір.

1. Які суб'єктивні відчуття вологості повітря людиною?

Якщо висока вологість, то при жаркій погоді спекотніше, при холодній холодно.

Якщо низька вологість, то при жаркій погоді не так спекотно, а при холодній не так холодно.

Учні активно відповідають на поставлені викладачом питання.

III. Мотивація навчальної діяльності учнів (створення компетенції дослідника)

1. Чому воду можна налити в посудину понад вінця?

2. Обговорення результатів домашнього експерименту: чому лезо безпечної бритви можуть плавати на поверхні води?

Викладач демонструє записаний на відео дослід, який проводив учень групи 22 ТС .

Учитель проводить демонстраційний дослід:

Вода з перевернутої пробірки, закритої аркушем паперу не виливається, але вона не виливається й якщо обережно зняти аркуш паперу. Чому так відбувається?

ІV. Пояснення нового матеріалу.

1. Властивості рідин

Пригадаємо основні властивості рідин:

а) не мають форми

б) мають об’єм

в) їх неможливо зжати оскільки молекули рідини знаходяться на малих відстанях один від одного.

Тому для стиснення рідин треба долати сили молекулярного відштовхування.

Через те, що відстань між молекулами рідини малі, збільшуються сили притягання молекул одна до одної. Образно кажучи, при переході з газоподібного стану в рідкий молекули як би злипаються.

Спеціально поставлені експерименти показали, що в рідинах поблизу кожної молекули інші молекули розташовуються у певному порядку. Однак у масштабі великих областей порядку в розташуванні молекул немає. Тому говорять, що в розташуванні молекул рідини є ближній порядок і відсутній дальній порядок.

Кожна молекула протягом деякого часу хаотично коливається біля певного положення рівноваги. Час від часу молекула змінює місце рівноваги, переміщаючись стрибком в нове положення, що знаходиться від попереднього на відстань порядку самих молекул. Таким чином, молекули лише повільно переміщаються всередині рідини, перебуваючи частину часу близько певних місць, тобто молекули мандрують по всьому об'єму рідини, ведучи кочовий спосіб життя, при якому короткочасні переїзди змінюються відносно довгими періодами осілого життя. Тривалості цих “стоянок” дуже різні і безладно змінюються з часом, різко зменшується з підвищенням температури.

2.Поверхневий натяг рідини

Але сьогодні ми познайомимося ще з одним проявом властивостей рідини. І зараз ми проведемо дослід. Для цього нам знадобиться склянка з водою і скріпки.

Дослід №1. Перед кожним учнем стоїть невеликий пустий стаканчик, стаканчик з водою і скріпки. Пропоную до вінця наповнити склянку водою. Питання до класу: “Чи можна помістити в нього ще що-небудь (наприклад, скріпки), не проливши води?” У склянку одну за одною починають занурювати скріпки. Вода вигинається грибком, але не проливається.

Диво!

Дати висловитись тим, хто читав про це дослід або про щось здогадався.

ПІДВОДИМО ПІДСУМОК: ми дізналися, що на поверхні води діє сила поверхневого натягу.

ВИСНОВОК (запис у зошиті): Молекули поверхневого шару надають молекулярне тиск на рідину, стягуючи її поверхню до мінімуму. Цей ефект називають поверхневим натягом.

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі. Своєю появою сили поверхневого натягу завдячують поверхневій енергії. Поверхневий натяг може бути пояснений притяганням між молекулами рідини. Він виникає як у випадку поверхні розділу між рідиною й газом, так і у випадку поверхні розділу двох різних рідин.

Поверхневий натяг дорівнює відношенню сили поверхневого натягу F, яка діє на межу поверхневого шару довжиною , до цієї довжини.

;

- величина стала і не залежить від довжини . В СІ ця величина виражається в .

А тепер на цю поверхню обережно покладіть голку або скріпку. Не тоне! Її утримують сили поверхневого натягу. Як же виникають ці сили і куди вони спрямовані?

Поверхня рідини, що прилягає з іншого середовищем, наприклад з її власним парою, з якою-небудь іншою рідиною або твердим тілом ( зокрема, зі стінками посудини, в якому вона міститься), знаходиться в особливих умовах порівняно з іншою масою рідини.

Виникають ці особливі умови тому, що молекули прикордонного шару рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені молекулами рідини не зі всіх сторін (рис.1).

Частина “сусідів” поверхневих молекул - це частинки іншого середовища, з якою рідина межує. Маючи ж різних сусідів, молекули поверхневого шару взаємодіють з ними різним способом. Тому сили, що діють на кожну молекулу в цьому шарі стають неврівноваженими: існує деяка рівнодіюча сила, спрямована або в бік об'єму рідини, або в бік середовища, що межує з нею.(рис.1)

Рис.1. Розташування молекул води

На кожну молекулу рідини діють сили тяжіння до оточуючих її молекул, віддалених від неї на відстань близько 10 ^-9 м.

Розглянемо молекулу М, розташовану всередині рідини, налитої в посудину. З усіх боків цю молекулу оточують молекули, сили тяжіння виділеної молекули до її сусідів врівноважуються. Виділимо молекулу М, що знаходиться на поверхні рідини.

Результуюча сила тяжіння цієї молекули до молекул пари менше результуючої сили її тяжіння до молекул рідини. Завдяки цьому з'являється рівнодіюча сила, спрямована всередину рідини. Те ж можна сказати про всі молекули рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, товщина якого дорівнює радіусу дії молекулярних сил.

Поверхневий шар тисне на молекули, що знаходяться всередині рідини. В цьому відношенні він нагадує оболонку дитячого повітряної кулі. (рис.2).

Рис.2. Молекули поверхневого шару рідини

Щоб перемістити молекулу М, розташовану безпосередньо під поверхневим шаром, необхідно виконати роботу проти сил молекулярного тиску, отже молекули утворюють поверхневий шар рідини, що володіють додатковою потенційною енергією порівняно з молекулами, що знаходяться усередині рідини.

Будь-яка механічна система, будучи надана сама собі, прагне зайняти таке положення, в якому її потенціальна енергія найменша. Коли рідина знаходиться у вільному стані і не взаємодіє з опорою або посудиною вона приймає форму кулі.

Дослід №2. У цьому досвіді з'ясовуємо яку форму приймає рідина під дією одних тільки сил поверхневого натягу. У колбу з розбавленим спиртом поміщаємо піпеткою краплю олії. Яка чудова золотиста куля плаває всередині розчину! Знов тема для роздумів.

ВИСНОВОК (запис у зошиті): Рідина у відсутності сили тяжіння, або коли вона урівноважена силою Архімеда, приймає сферичну форму, що має мінімальну поверхню при одному і тому ж обсязі (рис.3).

Рис.3. Крапля масла в спирті

Деякі рідини (мильна вода) мають властивість утворювати тонкі плівки.

Такі прості досліди додатково пояснюють сутність сил поверхневого натягу.

Дослід № 3

Мета: з'ясувати напрямок дії сил поверхневого натягу.

Учні беруть наявні у них на столах дротяні каркаси з ненатянутой ниткою всередині і занурюють їх у мильний розчин, а потім виймають. Розглядають розташування нитки на плівці. Проколюють плівку з одного боку.

Тепер нитка натягнута плівкою і утворила дугу. 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 (рис.4)

Рис.4. Мильна плівка

ВИСНОВОК: поверхневий натяг розчину “Феррі” менше, ніж поверхневий натяг чистої води.

Запис у зошити: Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.

 – сила поверхневого натягу

 – коефіцієнт поверхневого натягу;

(коефіцієнт з таблиці №3 А.П. Рымкевич порівнюємо).

Малий об'єм рідини сам по собі приймає форму, близьку до кулі, тому що завдяки малій масі рідини мала і сила тяжіння, що діє на неї.

Поверхнева енергія й у цьому випадку перевищує потенційну енергію сили тяжіння і форма рідини визначається саме нею. Цим пояснюється куляста форма крапель рідини (рис.5).

Рис.5. Крапля води з піпетки

При виході з трубки розмір краплі поступово наростає, але вона відривається тільки тоді, коли досягає цілком певного розміру. Це відбувається тому, що поки крапля недостатньо велика, сили поверхневого натягу достатні для того, щоб протистояти силі тяжіння і запобігти відрив.

Відрив же станеться тому, що вага краплі стане дорівнює силі поверхневого натягу,що утримує її.

Звідси випливає, що зі спостережень над відривом крапель можна визначити чисельне значення коефіцієнта поверхневого натягу. Перед відривом утворюється шийка, радіус якої менше радіуса трубки. Уздовж цієї окружності шийки і діє сила поверхневого натягу, яка в момент відриву повинна бути дорівнює силі тяжіння.

Обчислимо додатковий тиск для сферичної поверхні рідини. Для цього мислено перетнемо сферичну каплю на дві півкулі. Поверхнева плівка цих двох півкуль обмежена колом 2πR, де R- радіус краплі.

Внаслідок поверхневого натягу обидві півкулі притягуються одна до одної з силою . Вона притискає їх одну до одної на поверхні , і отже, обумовлює додатковий тиск:

- формула Лапласа, за нею визначається додатковий тиск під опуклою сферичною плівкою рідини.

Дослід №5. Кожен учень вивчає утворення крапель з піпетки, і виявляється десятикласник може здивуватися краплі.

ВИСНОВОК: форма краплі, її окружність і тонка шийка обумовлені існуванням сили поверхневого натягу.

V. Закріплення нового матеріалу

Інструкція для першої групи учнів.

Вам видані дві проволоки різної довжини. Закріпіть до мікрометра одну проволоку й опустіть її на поверхню води. Повільно підійміть проволоку догори та зафіксуйте значення сили, прикладеної у момент відриву від води. Дослід повторіть тричі.

Зробіть висновок, як залежить сила відриву від довжини проволоки ( поверхонь, що стискаються).

Висновок: сила (F) прямо пропорційна довжині поверхні (l)

Інструкція для другої групи учнів.

Визначте вплив температури на поверхневий натяг. Покладіть дрібно нарізані папірці на поверхню води в посудину та доторкніться до поверхні розжареною дротиною. Плаваючі папірці „розбігаються” в усі боки. Зробіть висновок, як залежить поверхневий натяг від температури.

Висновок: поверхневий натяг зменшується зі збільшенням температури.

Інструкція для третьої групи учнів.

Використовуючи посудини з водою та дрібно нарізані папірці, пляшки з різними речовинами, піпетки, визначте вплив на поверхневий натяг води:

1).олії та молока 2). соди та оцтової кислоти.

Покладіть дрібно нарізані папірці на поверхню води в посудину та по черзі нанесіть краплю виданої рідини. Зробіть висновок, як залежить поверхневий натяг від природи рідини.

Висновок: різні рідини мають різний поверхневий натяг.

Кожна група доповідає про результати своїх досліджень.

Запитання для самоперевірки:

1. Які властивості має поверхневий шар рідини?

Він обумовлений тим, що молекули поверхневого шару відчувають дещо іншу силу міжмолекулярної взаємодії, ніж молекули, які знаходяться всередині об'єму рідини.

1. Що називають поверхневим натягом?

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі.

1. Наведіть приклади дії сил поверхневого натягу.

Мильні бульбашки, рух водомірок по воді, скріпки в стаканчику.

1. Що називають коефіцієнтом поверхневого натягу? Від чого він залежить? У яких одиницях виміряється коефіцієнт поверхневого натягу в СІ?

Коефіціє́нт поверхне́вого на́тягу — кількісна характеристика поверхневого натягу рідини. Коефіцієнт поверхневого натягу визначається як сила, що діє з боку рідини на одиницю довжини контуру, що її обмежує. Позначається маленькою літерою гамма.

1. Що являє собою сила поверхневого натягу? Яка формула виражає зміст цього поняття?

Сила поверхневого натягу – це сила, що діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.

– сила поверхневого натягу

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

Плівка стискається до тих пір, поки тиск всередині міхура не буде перевищувати атмосферний на величину додаткового тиску плівки.

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

Це означає, що за відсутності зовнішніх сил рідина при заданому об’ємі має набирати форми сфери. Очевидно, що у невагомості довільна крапля буде сферичною.

VІ. Етап корекції та оцінювання.

Учитель разом з учнями підводить підсумки уроку: чи була досягнута мета уроку? Учні, які працювали активно, отримують оцінки.

VIІ . Домашнє завдання.

Генденштейн Л.Е.10 кл. : підруч. для загальноосвіт. навч. закладів: рівень стандарту., 2010. Вивчити § 22 стор.210-212. А.П.Римкевич. Збірник задач з фізики 9-11кл. 1990. Задачі № 583, 578*