Методическая разработка урока по физике Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Автономная некоммерческая организация высшего образования

«Академия технологии и управления»

Методическая разработка урока по физике:

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Составитель: С. В. Загранышная,

преподаватель физики

г. Новочебоксарск 2015 г.

Содержание.

Стр.

1. Пояснительная записка…………………………………………………………3

2. Методическая карта занятия…………………………………………………..4

3. Ход урока………………………………………………………………………….5

4. Литература………………………………………………………………………..15

5. Приложения ……………………………………………………………..……….16

Пояснительная записка

Методическая разработка составлена на проведение урока по дисциплине «Физика» на тему «Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение» для студентов первого курса академии, обучающихся по программам СПО.

Цели занятия:

Образовательные: изучить новые понятия - поверхностное натяжение, смачивание, капиллярность; повторить ранее пройденные свойства веществ, дать объяснение свойств на основе МКТ, дать определение данных понятий, рассмотреть эти явления в природе.

Развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Воспитательные: воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.

Данный урок - это урок освоения новых знаний с элементами инновации: включение в урок информационных технологий, применение мультимедиа. Урок построен на знании дисциплин - алгебра, биология, химия. По ходу урока присутствует индивидуальный и групповой опрос студентов. При таких формах опроса лучше виден уровень усвоения учебного материала. С целью повторения пройденного проводится физический диктант с последующей самопроверкой. Для закрепления учебного материала проводится решение расчетных и экспериментальных задач. Урок разработан с учетом акцента на самостоятельной работе учащихся. В качестве самостоятельной работы по отработке учебного навыка студенты выполняют экспериментальные задачи по группам с последующей защитой, а так же выполняют по парам виртуальную лабораторную работу и выполняют отчет.

Данная методическая разработка может быть использована преподавателями физики при подготовке к проведению учебного занятия.

МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

Дисциплина: физика

Группа: 1 курс (для специальностей технического профиля)

Преподаватель: Загранышная С. В.

Тема занятия: Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.

Тип занятия: урок усвоения новых знаний

Вид занятия: объяснительно-иллюстративный, комбинированный

Цели занятия:

Образовательные: изучить новые понятия - поверхностное натяжение, смачивание, капиллярность; повторить ранее пройденные свойства веществ, дать объяснение свойств на основе МКТ, дать определение данных понятий, рассмотреть эти явления в природе.

Развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Воспитательные: воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.

Планируемый результат: знать понятия и явления - сила поверхностного натяжения, смачивание и несмачивание, капиллярность, уметь решать задачи на расчет силы и коэффициента поверхностного натяжения, поверхностной энергии жидкости, высоту подъема (опускания) жидкости в капилляре.

Межпредметные связи: биология, алгебра, химия.

Внутрипредметные связи: «Агрегатные состояния веществ и их свойства».

Основные учебные элементы для усвоения: сила поверхностного натяжения, смачивание и несмачивание, капиллярность.

Обеспечение занятия: мультимедиапроектор, презентация Microsoft PowerPoint «Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение», программа - виртуальная лабораторная работа «Высота подъема жидкости в капиллярной трубке», электронные учебники «Уроки физики Кирилла и Мефодия» и «Физика в школе» (диск 1 «Молекулярная структура материи»), весы ученические с разновесами, капиллярная стеклянная трубка, полоски промокательной бумаги и хлопчатобумажной ткани, линейка.

Содержание и последовательность учебного занятия:

1. Организационный момент.

2. Повторение пройденного материала. Физический диктант.

3. Объяснение нового материала по теме «Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение» (презентация и демонстрация опытов).

4. Физкультминутка.

5. Закрепление материала на основе решения расчетных и экспериментальных задач.

6. Выполнение виртуальной лабораторной работы.

7. Итоги урока и раздача домашнего задания

Методы контроля: комбинированный (индивидуальный, групповой).

Тип контроля: текущий

Самостоятельная работа: решение задач, выполнение виртуальной лабораторной работы.

Задание на дом: повторить теоретический материал, решить задачи.

Литература: § 64-65 В.А.Касьянов «Физика» - 10 кл., А.П.Рымкевич. Физика. Задачник. 10-11 кл. №№ 580, 581

Ход урока.

I. Организационный момент:

- Приветствие студентов.
- Заполнение журнала.

II. Повторение пройденного материала

- Фронтальный опрос:

1) В каких агрегатных состояниях может находиться вещество? (газообразное, жидкое, твердое)

2) Отличаются ли молекулы одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях? (нет)

3) Вспомните основные свойства жидкостей (не имеют формы, имеют объем, несжимаемы, т. к. молекулы жидкости находятся на малых расстояниях друг от друга).

- Физический диктант.

Диктант проводится на листочках в следующей форме: учитель называет физические величины, студенты записывают её обозначение и единицу измерения. Затем они обмениваются листками с последующей взаимопроверкой. Критерии оценивания - 9-10 б. - «5», 6-8 б. - «4», 4-5 б. - «3», 1-3 б. - «2»

Физические величины: молярная масса, температура по шкале Цельсия, масса вещества, количество вещества, концентрация молекул, число молекул, объем, средняя квадратичная скорость, давление, абсолютная температура, средняя кинетическая энергия. Универсальная газовая постоянная, постоянная Авогадро, постоянная Больцмана.

III. Объяснение нового материала.

Показ и разъяснение и запись в тетрадях основных понятий по электронному учебнику «Уроки физики Кирилла и Мефодия»:

1. Энергия взаимодействия в жидкостях и газах.

Отличия в свойствах, проявляемых жидкостями и газами, определяются отличиями в их молекулярном строении. В то время как частицы газа практически не взаимодействуют, молекулярное взаимодействие в жидкостях оказывает существенное влияние на поведение частиц. Если в газах средняя кинетическая энергия теплового движения частиц много больше

средней потенциальной энергии их взаимодействия, то в жидкостях эти энергии сравнимы по своей величине.

2. Жидкость практически несжимаема.

Сильное взаимодействие между частицами жидкости обусловлено значительно меньшими, чем в газах, расстояниями между ними: в жидкостях соседние молекулы расположены вплотную друг к другу, как в твердом состоянии. По этой причине жидкости плохо сжимаемы. При попытке даже незначительно уменьшить объем жидкости практически сразу начинается деформация самих частиц. Образное представление об этом процессе можно получить, если представить себе попытку протиснуться в переполненный автобус.

3. Понятие ближнего порядка.

Эксперименты показывают, что в жидкости вокруг любой частицы наблюдается определенный порядок в расположении соседних частиц. Такой порядок получил название ближнего порядка, поскольку при рассмотрении объемов, существенно превышающих область вблизи отдельной частицы, никакого порядка в расположении частиц уже не наблюдается - частицы в жидкости располагаются хаотично. Понять, что такое ближний порядок, достаточно легко, если представить большую толпу людей. Никакого порядка в расположении людей в этой толпе нет, однако вокруг любого человека есть определенный порядок - его, как правило, окружают пять человек.

4. Характер движения частиц жидкости.

Согласно теории Френкеля, частицы жидкости участвуют в колебательно-поступательном

движении. Частица, зажатая, как в клетке, со всех сторон соседними частицами, колеблется около некоторого положения равновесия. Время от времени частица может перемещаться на расстояние, примерно равное собственному размеру, и таким образом оказываться в новом положении равновесия. В новом положении частица опять начинает совершать колебательные движения. Основное время частицы жидкости колеблются около некоторого положения равновесия, т.е. пребывают в состоянии оседлости, а переходы с места на место занимают очень незначительное время. Времена оседлости частиц жидкости различны. Например, при комнатной температуре время оседлости молекул воды составляет 1·10-6 сек. Значительный вклад в развитие молекулярно-кинетической теории жидкостей внес Я.И. Френкель, чья теория впервые позволила объяснить многие свойства жидкостей, например, текучесть и упругость.

5. Упругость и текучесть жидкости

В соответствии с представлениями теории Френкеля, текучесть жидкостей обусловлена

тем, что под действием внешней силы, например, силы тяжести, перескоки частиц из

одного состояния оседлости в другое начинают происходить преимущественно в

направлении действия этой внешней силы. Однако жидкости проявляют текучесть только

в том случае, если действие внешней силы во много раз более длительно, чем время

оседлости. Если же время действия внешней силы сопоставимо со временем оседлости,

то жидкость проявляет упругость, подобно твердому телу.

Таким образом, жидкость может обладать и упругостью, и текучестью. Известно, что при

неудачном прыжке в воду можно получить серьезные травмы, это связано с тем, что удар

о воду длится очень короткое время, сопоставимое со временем оседлости, поэтому вода

проявляет не текучесть, а упругость. Упругость воды используется, например, при

разработке россыпей, в этом случае на золотоносные пески направляется мощная струя

воды.

6. Взаимодействия в поверхностном слое жидкости

В отличие от газообразного состояния, когда силы межмолекулярного взаимодействия не могут удержать частицы внутри какого-либо объема, если он не ограничен стенками сосуда, в жидкостях силы межмолекулярного взаимодействия достаточно велики и способны удержать

молекулы жидкости в определенном объеме. Поэтому жидкости образуют свободные (от контакта с сосудом) поверхности. Множество явлений, происходящих с жидкостями, обусловлено взаимодействием частиц, расположенных в поверхностном слое. Взаимодействие с частицами пара, располагающимися над поверхностью жидкости, практически не влияет на частицы поверхностного слоя жидкости, так как концентрация молекул в паре мала по сравнению с концентрацией молекул в жидкости.

7. Поверхностное натяжение в жидкости.

Молекулы поверхностного слоя под воздействием молекул внутренних слоев уходят вглубь жидкости, и число молекул на поверхности уменьшается до тех пор, пока свободная оверхность не достигнет минимального значения. Свойство сокращения свободной поверхности выглядит так, как будто жидкость помещена в тонкую упругую оболочку. Легко представить себе эту оболочку, наблюдая за постепенным увеличением объема капли воды, который происходит перед ее падением. Объем капли увеличивается, будто вода заполняет некий прозрачный эластичный мешочек.

8. Сокращение площади свободной поверхности жидкости.

Площадь поверхности жидкости уменьшается под действием силы поверхностного натяжения. Эта сила действует по касательной к поверхности жидкости, направлена перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить поверхность до минимума. Окунем в мыльный раствор, а затем вынем из него проволочную рамку, внутри которой к противоположным сторонам привязана ненатянутая нить. В результате рамка окажется затянутой мыльной пленкой, которая разделена на две части нитью. Если проткнуть пленку с одной стороны от нити, то нить натянется, приняв дугообразную форму, вследствие сокращения площади свободной поверхности.

9. Опыт Плато («Физика в школе» диск 1 «Молекулярная структура материи»)

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости - шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если сосуда нет, либо же принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.

Оливковое масло всплывает в воде, но тонет в спирте. Можно приготовить такую смесь воды и спирта, в которой масло будет находиться в равновесии. Введём с помощью стеклянной трубки или шприца в эту смесь немного оливкового масла: масло соберётся в одну шарообразную каплю, которая будет висеть неподвижно в жидкости. Если пропустить через центр масляного шара проволоку и вращать её, то масляный шар начинает сплющиваться, а затем, через несколько секунд, от него отделяется кольцо из маленьких шарообразных капелек масла. Этот опыт впервые произвел бельгийский физик Плато.

В гигантских масштабах такое явление можно наблюдать у нашей звезды Солнца и планет-гигантов. Вращаются эти небесные тела вокруг своей оси очень быстро. В результате такого вращения тела очень сильно сжаты у полюсов.

10. Измерение силы поверхностного натяжения.

Силу поверхностного натяжения можно измерить, например, используя затянутую мыльной пленкой прямоугольную проволочную рамку, одна из сторон которой может свободно перемещаться. Подвижная сторона рамки перемещается под действием сил поверхностного натяжения, которые можно уравновесить силой упругости пружины динамометра. Поскольку у пленки две поверхности, то и сил поверхностного натяжения также две. Поэтому величина каждой из этих сил в два раза меньше того значения, которое фиксирует динамометр.

11. Коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициентом поверхностного натяжения называется отношение модуля силы поверхностного натяжения к длине участка границы поверхности жидкости, на который действует эта сила. Эта величина постоянная:

, , [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения показывает, какая сила действует на единицу длины границы поверхности жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы граничащих сред и температуры.

12. Поверхностная энергия.

Для того чтобы переместить молекулу из внутренних слоев на поверхность, необходимо совершить некоторую работу. По этой причине частицы поверхностного слоя обладают потенциальной энергией, которую называют поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии E прямо пропорциональна площади поверхности жидкости S. Можно показать, что коэффициентом пропорциональности является коэффициент поверхностного натяжения:

Уменьшая площадь мыльной пленки, силы поверхностного натяжения совершают работу. Эта работа совершается за счет уменьшения поверхностной энергии.

IV. Физкультминутка (видеоролик)

13. Смачивание поверхности.

Форма капель жидкости, лежащих на какой-либо поверхности, не совсем шарообразная: они приплюснуты силой тяжести. Кроме того, в зависимости от природы жидкости и от вещества поверхности, жидкость может либо растекаться по ней, либо нет. Например, капля воды растекается по деревянной поверхности, а капля ртути не растекается и имеет форму, близкую к шарообразной. Такое различие в поведении жидкостей, соприкасающихся с твердым телом, зависит от того, какие силы притяжения преобладают: между молекулами жидкости и твердого тела или между молекулами жидкости.

14. Краевой угол смачивания.

Явление, возникающее вследствие взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твердого тела, называется смачиванием. Смачивание характеризуется углом между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, его называют краевым углом или углом смачивания. Если жидкость растекается по поверхности, говорят, что она смачивает эту поверхность и краевой угол является острым, если не растекается - то не смачивает и краевой угол - тупой. При полном смачивании краевой угол равен 0°, а при полном несмачивании - 180°.

Смачивание наблюдается в том случае, если частицы жидкости взаимодействуют друг с другом слабее, чем с частицами твердого тела. В противном случае наблюдается несмачивание. Для усиления смачивания поверхности водой необходимо уменьшить коэффициент поверхностного натяжения. Для этого достаточно подогреть воду или использовать поверхностно-активные вещества, к которым, в частности, относятся стиральные порошки.

15. Образование мениска.

Если жидкость находится в сосуде, то в месте соприкосновения поверхностного слоя жидкости со стенкой сосуда поверхность жидкости искривляется, образуется мениск. В зависимости от того, смачивает жидкость поверхность стенки или нет, образуются вогнутые или выпуклые мениски.

16. Капиллярные явления.

Вследствие образования менисков могут наблюдаться капиллярные явления: изменение уровня жидкости в очень тонких трубках - капиллярах. Если диаметр капилляра мал, то мениски, образующиеся у его стен, сливаются друг с другом, образуя поверхность, близкую к сферической. Силы поверхностного натяжения действуют по касательной к поверхности жидкости вдоль всей границы ее поверхности. В данном случае граница - это окружность, диаметр которой равен диаметру капилляра.

17. Изменение уровня жидкости в капилляре.

Изменение уровня жидкости прекращается в тот момент, когда действие силы поверхностного натяжения уравновешивается силой тяжести поднявшегося столбика жидкости. Из равенства этих сил можно выразить значение высоты h, на которую поднялся уровень жидкости в капилляре:

m = ρV = ρhπr²,

где m - масса жидкости в капилляре, ρ - плотность жидкости, V - объем капилляра, r - радиус капилляра.

mg = Fσ

Сила поверхностного натяжения: Fσ = σ2πrcosΘ

Получаем: ρhπr²g = σ2πrcosΘ h = 2 σ cosΘ/ ρrg

Если жидкость смачивает стенки капилляра, сливающиеся мениски образуют вогнутую поверхность. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения действует вверх вдоль стенок сосуда, что приводит к подъему уровня жидкости.

Если жидкость не смачивает стенок капилляра, сливающиеся мениски образуют выпуклую поверхность. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения действует вниз вдоль стенок сосуда, что приводит к опусканию уровня жидкости на некоторую глубину. Изменение уровня жидкости прекращается в тот момент, когда действие силы поверхностного натяжения уравновешивается силой давления со стороны окружающей жидкости на этой глубине. В результате рассуждений, аналогичных приведенным в случае для смачивания, получается формула для расчета глубины опускания уровня жидкости в капилляре:

h = 2 σ cosΘ/ ρrg

18. Капиллярные явления в природе.

Капиллярные явления широко распространены в природе. Например, благодаря этому явлению происходит подъем жидкости по волокнам растений, ряд тел (вата, почва, бетон) обладают способностью впитывать влагу (гигроскопичность тел). Чтобы предотвратить подъем влаги из почвы на поверхность и ее дальнейшее испарение, применяют боронование, при котором происходит разрушение почвенных капилляров.

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.

V. Решение расчетных задач у доски (А.П.Рымкевич. Физика. Задачник. 10-11 кл. №№ 592, 593)

VI. Решение экспериментальных задач по группам (приложение 1)

Класс разбивается на 4 группы. На каждом столе лежат: карточки с указаниями к экспериментальным задачам и соответствующие приборы - для групп решающих экспериментальные задачи. Через 10 минут представитель группы защищает свою работу перед аудиторией в течение 3 минут.

VII. Выполнение виртуальной лабораторной работы.

Для закрепления материала проводим виртуальную лабораторную работу.

На каждый компьютер устанавливается программа, студенты заполняют рабочие листы итогов лабораторной работы, содержащие таблицы, графики, контрольные вопросы и сдают их.

Пример рабочего листа (приложение 2)

VII. Итоги урока и раздача домашнего задания.

Эта тема очень большая и значительная, интерес к ней всегда огромен и, конечно, за 1,5 часа познать её невозможно. Поэтому я предлагаю вам обратиться к книгам и интернету, в которых вы можете найти ответы хотя бы на некоторые свои вопросы.

Явления смачивания и не смачивания, капиллярные явления широко распространены как в повседневной деятельности, так и в природе, знания в этой области находят широкое применение в технике.

Наиболее отличившимся студентам выставляются оценки в журнал.

Задание на дом: повторить теоретический материал, решить задачи: § 64-65 В.А.Касьянов «Физика» - 10 кл., А.П.Рымкевич. Физика. Задачник. 10-11 кл. №№ 580, 581.

Литература:

1. В.А.Касьянов «Физика» - 10 кл., 2009 г.

2. А.П.Рымкевич. Физика. Задачник. 10-11 кл., 2006 г.

Приложения

Приложение 1

Экспериментальная задача № 1.

Оборудование для экспериментальной задачи №1: стакан с водой, пипетка, весы с разновесами.

Указания к экспериментальной задаче №1:

1. Из капельницы накапать 200 капель воды.

2. При помощи весов определить массу жидкости.

3. Определить массу одной капли, m₁ = m/N

4. По формуле определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости, где радиус капилляра = 0,4мм.

Экспериментальная задача № 2.

Оборудование для экспериментальной задачи №2: стакан с водой, стеклянный капилляр, линейка

Указания к экспериментальной задаче №2:

1. Опустить капилляр радиусом r = 0,11 мм в сосуд с водой.

2. Измерить высоту подъёма воды в капилляре - h.

3. По формуле вычислить коэффициент поверхностного натяжения, где:
   - плотность воды,
   g = 9,8 ^М/с² - ускорение свободного падения.

Экспериментальная задача № 3.

Оборудование для экспериментальной задачи №3: стакан с водой, полоски промокательной бумаги и хлопчатобумажной ткани, линейка

Указания к экспериментальной задаче №3:

1. Опустить полоски промокательной бумаги, и х\б ткани в стакан так, чтобы концы этих полосок только касались поверхности воды.

2. Как только поднятие воды прекратится, полоски вынуть и измерить высоту подъёма воды.

3. По формуле: определить диаметр капилляра, если коэф. поверхностного натяжения воды = 73 мН/м, - плотность воды,

4. Сделать вывод о диаметре капилляров разных тел.

Экспериментальная задача № 4.

Оборудование для экспериментальной задачи №4: стакан с водой, пипетка, весы с разновесами.

Указания к экспериментальной задаче №4:

1. Из капельницы накапать 200 капель мыльного раствора.

2. При помощи весов определить массу жидкости.

3. Определить массу одной капли, m₁ = m/N

4. По формуле определить коэффициент поверхностного натяжения жидкости, где радиус капилляра = 0,4мм.

Приложение 2

Лабораторная работа "Высота подъема жидкости в капиллярной трубке"

Задания:

1. При помощи компьютерных моделей, изменяя значения коэффициента поверхностного натяжения, плотности жидкости и радиуса капилляра, получить набор значений высоты подъема жидкости и заполнить таблицу:

№опыта
Плотность
Коэффициент поверхностного натяжения
Радиус капилляра r
Высота h

2. Построить графики зависимости h(), h(), h(r). Проанализировать полученные зависимости.

3. Ответить на вопросы:

   • Чем объяснить явления смачивания и несмачивания?

   • От чего зависит краевой угол?

4. Сделать выводы.