Тип урока: смешанный – исследовательская работа учащихся и изложение нового материала.
Цели урока:
- обеспечение практической направленности учебного материала через решение познавательных и исследовательских задач;
- создание реальных возможностей применения учащимися полученных знаний и умений в ходе выполнения эксперимента;
- развитие самостоятельности мышления, исследовательских умений, творческого подхода к делу;
- развитие умений осуществлять дедуктивные (от общего к частному) и индуктивные (от частного к общему) умозаключения;
- развитие наблюдательности, повышения внимания к изучаемым вопросам;
- развитие чувства товарищества и взаимопомощи.
Ход урока
I. Формулировка цели и хода урока.
Презентация. Слайд 1
Тему сегодняшнего урока вы не найдете в вашем учебнике. Однако, явления и эффекты, связанные с поверхностями жидкостей столь прочно вошли в нашу жизнь, стали столь обыденными, что мы порой даже не обращаем внимание на эти явления, воспринимаем как само собой разумеющееся. А, между тем, мы здесь имеем дело с силами, совершенно иной, ранее нами не изучаемой, силы. Рассматриваются такие известные, но такие неизвестные явления!
Итак, тема нашего урока: “Явления на поверхности жидкости и связанные с ними эффекты”.
Учащиеся записывают тему урока в тетрадь.
Сегодняшний наш урок будет построен на эксперименте, который вы будете проводить в группах. На партах лежат папки с заданиями, по одному на двоих.
Ваша задача – выполнить эксперимент, сделать необходимые рисунки, обсудить наблюдаемое явление, ответить на вопросы, можно устно, если нет специальных оговорок. Сделать вывод по результатам эксперимента, обсудить, сначала внутри группы, затем всем вместе. После каждого проведенного эксперимента необходимо записать выводы,. В целях экономии времени и, повторения ради, на уроке сделать наброски рисунков, требующих затраты времени.
Для каждого из вас приготовлены материалы, которые вы сможете забрать домой.
II. Изучение нового.
Постановка проблемы.
Как вы думаете, сколько монет можно опустить в стакан, наполненный до краев с водой, прежде чем вода начнет из него выливаться?
Опыт 1. (Выполняется демонстрационно, можно – одним из учащихся)
Оборудование: стакан, наполненный до краев водой, монеты.
Цель - наблюдение поверхностного натяжения
Вывод: Презентация. Слайд 2
В поверхностном слое жидкости молекулы ведут себя подобно пчелам в рое, где каждый индивид стремится оказаться внутри роя. Объясняется это тем, что молекулы жидкости в поверхностном слое притягиваются всеми молекулами жидкости сильнее, нежели молекулами ее газа, взаимодействием с которыми, в данном случае можно пренебречь.
Опыт 2. (Выполняется фронтально)
Оборудование: мыльный раствор, трубочки для коктейля.
Цель - наблюдение поверхностного натяжения
Ход работы: выдуть, желательно побольше, пузырь, держа трубочку вертикально вниз. Пронаблюдать самопроизвольное сокращение размеров пузыря.
Вопросы.
1. Что представляет собой пузырь по вашему мнению?
Напомнить, что мыло – жидкий кристалл, молекулы которого располагаются по поверхности жидкости. Таким образом, пузырь – слой жидкости, с двух сторон ограниченный слоем мыла.
Презентация. Слайд 3
2. Как вы думаете, почему происходит самопроизвольное сокращение размеров пузыря? (На поверхности жидкости возникают силы, направленные вдоль ее поверхности и стремящиеся ее сократить)
3. Куда делся мыльный раствор когда пузырь лопнул? (Стал молекулами газа)
Вывод:. Презентация. Слайд 4, 5
Презентация. Слайд 6
Очевидно, что эта энергия пропорциональна
поверхности жидкости S. Uпов ~ S => 
=const 
Отношение поверхностной энергии к площади поверхности называется удельной поверхностной энергией.
Эту величину обозначают греческой буквой 
(сигма): 
В СИ единицей удельной поверхностной энергии является 1 Дж/м2.
Поверхностной энергией обладают как жидкие, так и твердые тела. Ведь особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности жидкости, характерны также и для поверхности твердых тел.
При изучении механики было выяснено важное положение о том, что между потенциальной энергией системы и ее равновесием существует определенная связь: в состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия минимальна.
Это положение имеет и более широкий смысл, оно относится и к поверхностной энергии, которой обладают жидкие и твердые тела: для них также характерно, что устойчивое равновесие наступает при минимуме поверхностной энергии. Значит, сокращение поверхности жидкости, при котором уменьшается поверхностная энергия,— это самопроизвольный процесс, ведущий к состоянию устойчивого равновесия.
Поверхностная энергия уменьшается также, если поверхность жидкости покрывается веществом, поверхностная энергия которого меньше, чем у данной жидкости. Если такое вещество растворить в воде (например, мыло), то его молекулы концентрируются на поверхности воды, покрывая ее плотным слоем. При этом поверхностная энергия системы уменьшается. Так, при малой концентрации мыла в воде (до 5%) на поверхности воды адсорбируется до 95% молекул мыла.
Вопрос. 1) Вспомните, геометрическое тело какой формы при заданном объеме будет иметь наименьшую площадь поверхности? (Шар. По желанию, можно предложить дома привести такое доказательство). В условиях невесомости, как убедительно продемонстрировали космонавты, не только капли воды, но и жидких металлов могут достигать внушительных размеров. 2) Почему же в обыденной жизни мы не наблюдаем шарообразности поверхности самой важной в нашей жизни жидкости – воды? Почему именно воду раньше использовали для определения горизонтальности поверхности, например при строительстве? (Нельзя забывать о значительном притяжении на нашей планете). Сила тяжести значительно превышает силы, возникающие на поверхности жидкости. Кроме того жидкости текучи. Нельзя забывать и о гидростатическом давлении самой жидкости).
Презентация. Слайд 7
На жидкость в сосуде, кроме силы тяжести Fт, действует сила реакции опоры (рис.). Реакция опоры — это сила упругости Fynp, с которой деформированная опора действует на прилегающий к ней слой жидкости.
Каждый нижний слой жидкости является опорой для вышележащего слоя. Поэтому он действует с силой реакции на вышележащий слой, т.е. создает давление на него. Таким образом, благодаря неподвижной опоре внутри жидкости создается давление (гидростатическое), максимальное у нижнего слоя и убывающее в направлении к верхнему. По закону Паскаля давление в жидкости на данной высоте одинаково во всех ее точках, а значит, по всем направлениям. Силы гидростатического давления F1 и F2, действующие на жидкость в горизонтальном направлении, приводят к ее растеканию. По этой причине жидкость на опоре не имеет сферической формы, а растекается; налитая же в сосуд, она принимает форму этого сосуда.
Растеканию капли жидкости на опоре препятствуют силы, действующие в поверхностных слоях жидкости, которые стремятся сократить площадь поверхности капли.
Презентация. Слайд 8
Не трудно догадаться, что, если нельзя избавиться от силы тяжести, то надо попробовать свести ее до минимума. А это можно сделать, изучив капельку жидкости.
Изучение капельки
Капельки на поверхности твердого тела. Презентация. Слайд 9
Опыт 1. (Выполняется фронтально)
Оборудование: стеклянная пластина, пластина, покрытая воском, пластина, покрытая сажей, несколько пипеток, жидкости – вода, масло подсолнечное, тушь черная.
Цель - наблюдение 1) формы капелек, 2) явления смачивания и несмачивания. Выяснение причин, этих явлений.
Ход работы. На каждую из пластинок капните воду, масло и тушь.
Вопросы. Презентация. Слайд 10
1) Одинакова ли форма капелек различных жидкостей на однородной поверхности? Как вы можете объяснить наблюдаемое явление? Сделайте пояснительный рисунок.
2) Одинакова ли форма капелек однородных жидкостей на различных поверхностях? Попробуйте объяснить наблюдаемые явления с точки зрения МКТ
Вывод: Слайд 11
Капельки на стекле. Презентация. Слайд 12
Все три жидкости растекаются по стеклу лужицей. Молекулы жидкости притягиваются молекулами твердого тела сильнее, чем соседними молекулами самой жидкости, – жидкость смачивает стекло и растекается. Такое явление называется смачиванием.
Капельки на воске. Презентация. Слайд 13
Масло по-прежнему растекается по поверхности. Формы капелек воды и туши на поверхности воска другие. Капельки стали похожи либо на “лепешечки” – приплюснутые сверху и снизу шарики, либо на полусферы. Немного наклоните подложку – капельки устойчиво держаться на ней. Про капли воды и туши мы говорим, что они частично смачивают поверхность воска. Если силы взаимодействия молекул жидкость – жидкость и жидкость – твердая поверхность одного порядка, то про такие жидкости говорят, что они частично смачивают поверхность.
Капелька на саже. Презентация. Слайд 14
Масло растекается лужицей, а вот вода и тушь образуют на поверхности почти шарообразные капельки. Чем меньше размер капель, тем ближе их форма к сферической. Наклоните подложку, капли мгновенно с нее скатятся, как упругие шарики с горки. Если сила взаимодействия между молекулами жидкости намного больше, чем между молекулами жидкости и твердого вещества, в данном случае воды и сажи, то про такие жидкости мы говорим, что они не смачивают поверхность.
Вопрос. Презентация. Слайд 15, 16
1. Почему при определенных условиях на листьях могут образовываться капельки росы? (Листья не смачиваются водой)
2. Можно ли носить воду в решете?
(Можно, если решето частое, а воды немного, или, если воды немного и смазать решето жиром)
Презентация. Слайд 17
Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердой пластины. Линия, ограничивающая поверхность капли на пластинке, является границей поверхностей трех тел — жидкости (Ж), твердого тела (Т) и газа (Г) (рис. а, б). Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел на каждый элемент этой границы будут действовать три силы:
сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом – Fжг,
сила поверхностного натяжения Fжт
жидкости на границе с твердым телом сила
поверхностного натяжения твердого тела на
границе с газом Fтг. Будет ли жидкость
растекаться по поверхности твердого тела,
вытесняя с него газ, или, наоборот, соберется в
каплю, зависит от соотношения величин Fжг
Fжт. Fт астекание жидкости по
поверхности твердого теля произойдет, если Fтг
Fжт
+ Fжг·cos
где Fжг·cos- проекция силы поверхностного
натяжения Fжг на горизонтальную поверхность.
Угол
образованный направлением силы поверхностного
натяжения Fжг, действующей по
касательной к поверхности жидкости, с
поверхностью твердого тела, называется краевым
углом. Он всегда отсчитывается внутрь жидкости.
Из условия равновесия следует cos= Fтг – Fжг/
Fжт
Домашнее задание: проанализируйте
соотношение cos= Fтг – Fжг/ Fжт и
попытайтесь установить при каких значениях
краевого угла жидкость смачивает твердое тело, не
смачивает твердое тело, полностью смачивает
твердое тело, отделяя его поверхность от газа.
Ожидаемые результаты:
Как видно, если поверхностное натяжение на
границе жидкость — твердое тело меньше, чем на
границе твердое тело — газ (т.е. Fжт < Fтг,
то cos > 0,
краевой угол — острый и жидкость смачивает
твердое тело. Если же Fжт >Fтг,
cos < 0
краевой угол — тупой, т.е. жидкость не смачивает
твердое тело (рис. б).
Если же Fтг – Fжг, то условие равновесия не может быть выполнено, ибо косинус не может быть больше единицы. Это означает, что жидкость полностью смачивает твердое тело, отделяя его поверхность от газа.
Зеркало из сажи. Презентация. Слайд 18
Опыт. (Выполняется фронтально)
Оборудование: пластина, покрытая сажей, стакан с водой, маленький клубок шерсти, небольшой лоскут шерстяной ткани.
Цель - выяснить, если ткань водоотталкивающая и непромокаемая, то будет ли это означать, что она обязательно и несмачиваемая?
Ход работы. Приложение 1
Вывод. Презентация. Слайд 19
Тела, несмачиваемые водой при определенном угле наклона могут приобрести серебристый (зеркальный) блеск из - за пузырьков воздуха, прилипших к их поверхности.
Презентация. Слайд 20
Вопросы к домашнему заданию. Возьмите небольшой клубок шерсти и опустите его в воду. Сделайте вывод, смачивает или нет вода шерсть. Капните капельку воды на шерстяную ткань. Что вы наблюдаете? Можно ли утверждать, что несмачиваемая ткань не может пропускать воду? Сделайте вывод, обязательно ли водоотталкивающая и непромокаемая ткань должна быть несмачиваемая? Приложение 2
Презентация. Слайд 21
Капелька воды и туши в масле.
Опыт. (Выполняется фронтально)
Оборудование: растительное масло, машинное масло, тушь.
Цель - провести сравнительное наблюдение за одной и той же капелькой жидкости.
Ход работы. Приложение 3
Презентация. Слайд 22
Вопросы.
Одинаковы ли плотности обеих жидкостей?
Каков характер движения капельки в каждой из жидкостей?
Какую форму имеет капелька туши в каждой из жидкостей? Чем обеспечивается эта форма?
Ожидаемые результаты и рекомендации: Приложение 4
Презентация. Слайд 23
Опыт Плато.
Презентация. Слайд 24
Опыт, вошедший в историю науки опыт по созданию искусственной невесомости при зависании жидкого масляного шара в смеси воды и спирта, иллюстрирующий действие поверхностного натяжения жидкостей, был впервые осуществлен в 1843 году бельгийским профессором Джозефом Плато.
Оборудование: вода, спирт, масло растительное или машинное (красные капли машинного масла более зрелищны).
Цель - повторить опыт Плато, условия плавания тел в жидкости, убедиться, что при равенстве плотностей жидкости и тела последнее будет плавать в ней на любой глубине; поверхностное натяжение, в отсутствие или при компенсации внешних воздействий, формирует шарообразную форму поверхности жидкости.
Ход работы. Приложение 5
Презентация. Слайд 25
Вывод: Опыт подтверждает, что:
плавание тела в жидкости определяется соотношением между их плотностями – при их равенстве тело плавает внутри жидкости. То же самое соотношение должно выполняться и для величин силы тяжести и Архимеда;
в случае естественной или искусственной невесомости жидкости приобретают шарообразную форму, т.е. форму, при которой поверхность данного объема жидкости принимает наименьший объем.
Оборудование: высокий сосуд с водой, тушь пипетка.
Цель – демонстрация межпредметных связей (физики и химии). С одной стороны - наблюдение диффузии жидкостей, имеющих одинаковую плотность, с другой – особенностей строения молекул воды.
Вопросы к домашнему заданию. Вспомните строение молекулы воды.
Что означает фраза: “Молекула воды – уголковая”?
Посредством чего осуществляется связь между молекулами воды? Какое название получила эта связь?
Является ли структура воды “жесткой”?
Какой процесс называется диффузией? Как объясняется диффузия с точки зрения МКТ?
Вывод: опираясь на ответы, объясните наблюдаемое на опыте явление
Проанализируйте соотношение cos= Fтг –
Fжг/ Fжт и попытайтесь установить
при каких значениях краевого угла жидкость смачивает
твердое тело, не смачивает твердое тело,
полностью смачивает твердое тело, отделяя его
поверхность от газа.
Найдите примеры применения в технике явления смачивания и несмачивания. Приложение 6
Литература
- Г.Я. Мякишев, А. З. Синяков Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. М.: Дрофа, 1998.
- ru.wikipedia.orgя
- fiz.1sept.ru/2002/19/no19_1.htm