Разработка урока по физике "Поверхностное натяжение"

Открытый урок на тему: "Поверхностное натяжение"

Разделы: Физика

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 2r, 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.

Разделы: Физика

Цели урока:

• продолжить изучение темы смачивание, капиллярные явления;

• объяснить формулы по определению смачивания и капиллярным явлениям;

• продолжить формирование естественнонаучных представлений по изучаемой теме;

• создавать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся;

• способствовать развитию конвергентного мышления;

• формирование коммуникативного общения.

План урока:

1. Оргмомент

2. Проверка знаний, их актуализация (методом фронтального опроса)

3. Изучение нового материала (каркасом нового материала является презентация)

4. Закрепление

5. Рефлексия

Ход урока

Смачивание. Капиллярные явления

Рассмотрим вопрос смачивания и несмачивания жидкостями твёрдых тел. Жидкость, которая растекается тонкой плёнкой по данному телу, смачивает поверхность. Жидкость, которая не растекается по поверхности твёрдого тела, а собирается в каплю, не смачивает данное тело. Вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин. Ртуть не смачивает стекло, но смачивает алюминий.

Объяснить явление несложно: если силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела больше, чем между молекулами жидкости, то возникает смачивание. Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твёрдого тела, то возникает несмачивание.

Смачивание - явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости на границе с твердым телом.

Смачивание бывает двух видов:

1. Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

2. Контактное (состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)

Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. Надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности ( лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.

К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.

Капиллярные явления

Визуально легко определить, когда жидкость смачивает твёрдое тело, а когда – нет (демонстрирует кодограмму с выпуклым и вогнутым менисками). При смачивании мениск вогнутый, краевой угол  острый. При несмачивании мениск выпуклый, а краевой угол  тупой. Если жидкость смачивает капилляр, то благодаря действию сил поверхностного натяжения жидкость поднимается на высоту h относительно уровня жидкости в широком сосуде. В случае несмачивания она опускается на высоту h. Явления поднятия или опускания жидкости в капиллярах под действием сил поверхностного натяжения называются капиллярными явлениями. Эти явления обусловлены действием равнодействующей сил поверхностного натяжения, которая в случае смачивания направлена вверх, а в случае несмачивания – вниз.

Попробуем получить формулу для расчёта h. Результирующая сила поверхностного натяжения F_н должна уравновешиваться силой тяжести F_т столба жидкости в капилляре:

где  – коэффициент поверхностного натяжения, r, d – радиус и диаметр капилляра соответственно,  – плотность жидкости. H – высота поднятия (снижения жидкости в капиллярах)

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т. е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

Роль в жизни человека

В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для подачи чернил и т. п.

Роль в природе

Роль поверхностных явлений в природе разнообразна. Например, поверхностная плёнка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабер, подвешиваются снизу к поверхностной плёнке воды с помощью не смачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом “пользуются” личинки комаров (в том числе и малярийных).

Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести, действуя подобно спасательному поясу.

Воскообразный налёт на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений. Наличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, стога сена и т.д. Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни тесно связана с диффузионными явлениями. Стволы деревьев, ветви и стебли растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями-капиллярами. И сама почва, источник питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым в зависимости от структуры и обработки быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъёма жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр. Отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения – утрамбовывать.