Урок "Поверхностное натяжение"
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

 «Силы, поверхностного натяжения»

10 а класс.

Цели: образовательные  - изучение явлений поверхностного натяжения, изучение понятий поверхностной энергии, силы поверхностного натяжения, изучение практической направленности этих явлений, формирование умений в их применении в исследовательской работе и в решении задач, формирование мотивации и опыта учебно-познавательной и практической деятельности;

           развивающие – способствовать развитию умения анализировать, выдвигать гипотезы, наблюдать и экспериментировать;

           воспитательные – способствовать формированию научного мировоззрения, пробуждение познавательного интереса к предмету и окружающим явлениям.

Методы: словесная передача информации и слуховое восприятие информации; наглядная передача информации и зрительное восприятие информации; передача информации с помощью практической деятельности, стимулирование и мотивация, методы контроля и самоконтроля.

Приемы: беседа, демонстрации опыта, экспериментальная задача, наблюдение, работа с книгой, создание ситуации успеха, выполнение творческого задания в группах, создание ситуации взаимопомощи, индивидуальный опрос, самоконтроль.

Оборудование: интерактивная доска, телевизор, видеомагнитофон, пробирка, лист бумаги, низкие стаканы с холодной и горячей водой, пробирка с тальком (закрытая пробкой), кусочек сахара и мыла, кусочек пластилина, проволочная петля, игла, пинцет, спиртовка, мыльный раствор.

Эксперименты:

Пускание мыльных пузырей.

Плавание бритвенного лезвия, слегка покрытого жиром на поверхности воды и его утопление, если это лезвие погрузить в глубину воды.

Пробирку заполняют водой, прикрывают листком бумаги и переворачивают. При этом держат строго в вертикальном направлении, листок убирают. И вода не проливается.

Скатать из кусочка пластилина шарик диаметром 2-3 мм. Положить его при помощи проволочной петли сначала на поверхность холодной воды, а затем горячей.

Посыпать тальком поверхность холодной воды в стакане. Для этого закрыть отверстие пробирки кусочком марли и просеять тальк над водой. Коснуться поверхности воды сначала кусочком мыла, а затем кусочком сахара.

Кольцо из проволоки с прикрепленной к нему в двух точках свободно подвешенной (не натянутой) нитью погрузить в мыльный раствор. При этом кольцо затягивается тонкой пленкой, а нить находится в равновесии, приняв случайную форму. Разрушить пленку по одну сторону от нити, прикоснувшись к пленке нагретой иглой. Нить натянется, приняв форму окружности.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка усвоения пройденного материала.

Вопросы

В чем заключается принципиальное различие между парами и «постоянными газами»?

Особенности жидкого состояния?

Почему мала  сжимаемость твердых тел и жидкостей?

Что такое «тройная точка»?

Что называют испарением?

Что такое кипение?

Что такое относительная влажность воздуха?

Для чего нужно знать влажность воздуха?

3. Выполнение экспериментальных заданий 1, 2, 3.

4. Постановка вопроса. Формулирование цели урока.

Из проведенных опытов можно сделать вывод о том, что свойства поверхности жидкости отличаются от свойств остальной ее части. И сегодня мы с вами попытаемся это объяснить. Рассмотрим явления, связанные с существованием у жидкости свободной поверхности, - так называемые поверхностные явления.

Вернемся к последнему проделанному нами опыту. Как это можно объяснить? Все дело в том, что молекулы на поверхности и в глубине жидкости находятся в разных условиях.

Молекула внутри жидкости взаимодействует с соседними молекулами, окружающими ее со всех сторон. Над поверхностью жидкости находится пар, плотность которого во много раз меньше, и взаимодействием его с молекулами жидкости можно пренебречь. Молекулы, находящиеся на поверхности, взаимодействуют практически только с теми молекулами, которые находятся внутри жидкости. Казалось бы, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, должны втянуться внутрь жидкости. Но все молекулы не могут уйти внутрь.

(Демонстрация слайдов капелек дождя, россы)

Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую площадь. Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума, называют силой поверхностного натяжения.  В своем стремлении сократиться поверхностная пленка придала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле.  Чем меньше капля, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны.

Очень эффективно наблюдаются поверхностные натяжения в космосе, когда невесомость обеспечивает шаровую форму жидкости вне сосуда. (Показ в/фильма «9 минут до неба»).

При увеличении поверхности жидкости за счет внешнего воздействия часть молекул из внутренних областей жидкости переходит на поверхность.

При таком переходе совершается работа против сил притяжения, действующих на молекулы, переходящие в поверхностный слой.

Поэтому молекулы на поверхности жидкости обладают большей энергией, чем те же молекулы внутри жидкости.

Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает избыточной потенциальной энергией. Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.

Отношение поверхностной энергии к площади поверхности называется удельной поверхностной энергией или коэффициентом поверхностного натяжения.

σ = Епов/S                     σ = Fп.н./ l , где l – длина линии ограничивающей   поверхностный слой

В СИ единицей удельной поверхностной энергии является 1 Дж/м2.

Устойчивое равновесие наступает при минимуме поверхностной энергии.

5. Эксперимент 6.

Натяжение нити произошло под действием силы поверхностного натяжения со стороны сокращающейся пленки, силы, приложенной к нити, которая в данном случае является линией раздела. Сила эта во всех точках перпендикулярна к нити. Эта сила действовала на нить и до разрушения пленки, но при этом на нее действовали одинаковые с обеих сторон силы. После же прорыва  одной части пленки другая получила возможность уменьшить свою площадь и, как показывает форма натянувшейся нити, площадь стала минимальной.

6. Выяснение зависимости силы поверхностного натяжения жидкости от температуры и наличия примесей в ней (работа в группах)

Эксперимент 4.

Сравните результаты опытов и объясните их.

7. Эксперимент 5  (работа в группах).

Как изменился коэффициент поверхностного натяжения при растворении мыла? 

Как изменился коэффициент поверхностного натяжения при растворении сахара?

Выводы из опытов 4 и 5:

 Поверхностная энергия уменьшается, 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 тонким слоем. При этом поверхностная энергия системы уменьшается. Так, при малой концентрации мыла в воде (до 5%) на поверхности воды адсорбируется до 95% молекул мыла.

8. Доклад ученика «Моющие средства».

9.Закрепление изученного при решении задач.

Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г. 

Решение:  

На кольцо действуют сила тяжести и сила поверхностного натяжения и внешняя сила.

Поскольку кольцо соприкасается с раствором и наружной и внутренней сторонами, то сила поверхностного натяжения Fп.н.= 2σl, где l=2rπ.

Условие отрыва кольца от раствора, записанное в скалярной форме относительно выбранного направления оси Y, имеет вид F=mg+2σl=mg+4πr

Далее подставляем численные значения и вычисляем.

Ответ: 0,11 Н.

Домашнее задание:ʄ 22 упр. 22, экс.зад. на стр. 138

10. Подведение итогов урока.

Список использованной литературы:

Учебник 10 класс с углубленным изучением физики /О.Ф.Кабардин,  А.А. Пинский/ Москва. Просвещение 2004. 332 ст.

Пособие по физике. С.П.Мясников, Т.Н.Осанова, Москва. Высшая школа 1976, 328 ст.

Поурочные разработки по физике. А.В. Волков. Москва «ВАКО» 2006, 310 ст.