Цель урока:
1. Развивающая: развивать умение учащихся сравнивать и делать выводы; выполнять лабораторную работу исследовательского характера; развивать навыки самостоятельности.
2. Образовательная: повторить свойства жидких тел; дать понятие о силах действующих в верхних слоях жидкости.
3. Воспитательная: формирование сознательной дисциплины в работе парами во время опытов; аккуратности и внимательности организовывать свое рабочее место; повышение интереса к предмету.
Оборудование: стаканчики: с водой, с мыльной водой, с маслом, С “ферри”, спирт, 2 пипетки, тальк, скрепки,иголка, проволочный каркас с ненатянутой нитью, пустой стаканчик, (все это в 15 экземплярах).
Организационный момент.
1. Проверка готовности к уроку.
Объяснение нового материала.
Теоретическая часть.
Вспомним основные свойства жидкостей:
а) не имеют формы
б) имеют объем
в) несжимаемы, т. к. молекулы жидкости находятся на малых расстояниях друг от друга.
Поэтому для сжатия жидкостей надо преодолевать силы молекулярного отталкивания
Из-за того, что расстояние между молекулами в жидкости малы, увеличиваются силы притяжения молекул друг к другу. Образно говоря, при переходе из газообразного состояния в жидкое молекулы как бы слипаются.
Специально поставленные эксперименты показали, что в жидкостях вблизи каждой молекулы другие молекулы располагаются в определенном порядке. Однако в масштабе больших областей порядка в расположении молекул нет. Поэтому говорят, что в расположении молекул жидкости имеется ближний порядок и отсутствует дальний порядок.
Каждая молекула в течении некоторого времени хаотически колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, перемещаясь скачком в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка самих молекул. Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест, т. е. молекулы странствуют по всему объему жидкости, ведя кочевой образ жизни, при котором кратковременные переезды сменяются относительно длинными периодами оседлой жизни. Длительности этих “стоянок” весьма различны и беспорядочно меняются со временем, резко убывают с повышением температуры.
Но сегодня мы познакомимся еще с одним проявлением свойств жидкости. И сейчас мы проделаем ОПЫТ №1. Для этого нам понадобится стакан с водой и скрепки.
ФРОНТАЛЬНЫЙ ОПЫТ №1. Перед каждым учащимся небольшой стаканчик, колба с водой и скрепки. Предлагаю до краев наполнить стаканчик водой. Вопрос классу: “Можно ли поместить в него еще что-нибудь (например, скрепки), не пролив воды?” В стакан одну за другой начинают погружать скрепки. Вода выгибается грибком, но не проливается.
Удивление!
Дать высказаться тем, кто читал об этом опыте или о чем-то догадался.
ПОДВОДИМ ИТОГ: мы узнали, что на поверхности воды действует сила поверхностного натяжения.
ВЫВОД (запись в тетради): Молекулы поверхностного слоя оказывают молекулярное давление на жидкость, стягивая ее поверхность к минимуму. Этот эффект называют поверхностным натяжением.
А теперь на эту поверхность осторожно положите иголку или скрепку. Не тонет! Ее удерживают силы поверхностного натяжения. Как же возникают эти силы и куда они направлены?
Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твердым телом ( в частности, со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.
Возникают эти особые условия потому, что молекулы пограничного слоя жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены молекулами т. ж. жидкости не со всех сторон (рис.1).
Часть “соседей” поверхностных молекул- это частицы второй среды, с которой жидкость граничит. Имея же разных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным способом. Поэтому силы, действующие на каждую молекулу в этом слое, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону граничащей с ней среды.(рис.1)
На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения к окружающим ее молекулам, удаленным от нее на расстояние порядка 10 -9 м.
Рассмотрим молекулу М ,расположенную внутри жидкости, налитой в сосуд. Со всех сторон эту молекулу окружают т.ж. молекулы, и силы притяжения выделенной молекулы к ее соседям уравновешиваются. Выделим молекулу М, находящуюся на поверхности жидкости. Результирующая сила притяжения этой молекулы к молекулам пара меньше результирующей силы ее притяжения к молекулам жидкости. Благодаря этому появляется равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости. То же можно сказать о всех молекулах жидкости, находящихся в поверхностном слое, толщина которого равна радиусу действия молекулярных сил. Поверхностный слой давит на молекулы, находящиеся внутри жидкости. В этом отношении он напоминает оболочку детского воздушного шара. (рис.2).
Чтобы переместить молекулу М , расположенную непосредственно под поверхностным слоем, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления, следовательно молекулы образующие поверхностный слой жидкости, обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами находящимися внутри жидкости.
Любая механическая система, будучи предоставлена самой себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая. Когда жидкость находится в свободном состоянии и не взаимодействует с опорой или сосудом она принимает форму шара.
ФРОНТАЛЬНЫЙ ОПЫТ №2
В этом опыте выясняем какую форму принимает жидкость под действием одних только сил поверхностного натяжения. В колбу с разбавленным спиртом помещаем пипеткой каплю растительного масла. Какой восхитительный золотистый шар плавает внутри раствора! Вновь тема для размышления.
ВЫВОД: Жидкость в отсутствии силы тяжести, или когда она уравновешена силой Архимеда, принимает сферическую форму, имеющую минимальную поверхность при одном и том же объеме (рис.3).
Рис.3
Некоторые жидкости (мыльная вода) обладают свойством образовывать тонкие пленки.
Следующие простые опыты дополнительно поясняют сущность сил поверхностного натяжения.
ФРОНТАЛЬНЫЙ ОПЫТ № 3
Цель: выяснить направление действия сил поверхностного натяжения.
Учащиеся берут имеющиеся у них на столах проволочные каркасы с ненатянутой нитью внутри и погружают их в мыльный раствор, а затем вынимают. Рассматривают расположение нити на пленке. Прокалывают пленку с одной стороны. Теперь нить натянута пленкой и образовала дугу. Мы сделали еще одно открытие: силы поверхностного натяжения перпендикулярны к границе поверхностного слоя жидкости и она возникает как результат стремления жидкости уменьшить свою поверхность и следовательно поверхностную энергию (рис.4)
Рис.4
F=
l
–коэффициент поверхностного натяжения
l - периметр смачивания
ФРОНТАЛЬНЫЙ ОПЫТ №4
От чего зависит коэффициент поверхностного натяжения? Изменение поверхностного натяжения жидкости при растворении примесей можно обнаружить при помощи следующего опыта. Насыплем на поверхность воды тальк, т. е сделаем заметным перемещение поверхностного слоя воды. Теперь капнем из пипетки на поверхность воды маленькую каплю моющего средства “Ферри”. Мы увидим, что порошок стремительно побежит от капельки во все стороны. П о ч е м у ?
ВЫВОД: поверхностное натяжение раствора “Ферри” меньше, чем поверхностное натяжение чистой воды.
(коэффициент из таблицы №3 А.П. Рымкевич сравниваем).
МЕТОД КАПЕЛЬ.
Малый объем жидкости сам по себе принимает форму, близкую к шару, т.к. благодаря малой массе жидкости мала и сила тяжести, действующая на нее.
Поверхностная энергия и в этом случае превышает потенциальную энергию силы тяжести и форма жидкости определяется именно ею. Этим объясняется шарообразная форма капель жидкости (рис.5).
При выходе из трубки размер капли постепенно нарастает, но отрывается она только тогда, когда достигает вполне определенного размера. Это происходит потому, что пока капля недостаточно велика, силы поверхностного натяжения достаточны для того, чтобы противостоять силе тяжести и предотвратить отрыв.
Отрыв же произойдет т.к. вес капли станет равен силе поверхностного натяжения удерживающей ее.
Отсюда следует, что из наблюдений над отрывом
капель можно определить численное значение
коэффициента поверхностного натяжения. Перед
отрывом образуется шейка, радиус которой меньше
радиуса трубки. Вдоль окружности этой шейки и
действует сила поверхностного натяжения,
которая в момент отрыва должна быть равна силе
тяжести. Если радиус шейки r, а коэффициент
поверхностного натяжения ?, то сила
поверхностного натяжения равна 2
r, следовательно отрыв капли
происходит при условии 2?r? =Р
Измерив вес Р оторвавшейся капли и радиус шейки в момент отрыва, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения
= Р/2r
ФРОНТАЛЬНЫЙ ОПЫТ №5
Каждый ученик изучает образование капель из пипетки, и оказывается десятиклассник может удивиться капле.
ВЫВОД: форма капли, ее окружность и тонкая шейка обусловлены существованием силы поверхностного натяжения.
ЗАКРЕПЛЕНИЕ.
Задача. 20 капель воды имеют массу 1,4г. Рассчитайте радиус одной капли.
ИТОГ УРОКА.
Мы пронаблюдали в знакомом новое и уже сможем объяснить причину возникновения силы поверхностного натяжения. Мы много раз пускали мыльные пузыри, и видели что они круглые, а почему не могли объяснить. Сейчас мы можем объяснить почему нельзя прыгать в воду плашмя и почему купаясь в реке мы “раздвигаем” воду.
Чем меньше поверхностное натяжение, тем легче жидкость проникает в ткань .Высокая проникающая способность мыльного раствора, позволяющая лучше очищать ткани объясняется его малым поверхностным натяжением.
Запись в тетради:
Поверхностное натяжение зависит:
А) от рода жидкости
Б) наличия примесей
В) от температуры (при высокой температуре коэффициент поверхностного натяжения стремится к нулю.)
Спасибо за ваше внимание и работу.
Домашнее задание: повторить по конспекту.