Учебное занятие "Может ли человек гулять по воде?"
методическая разработка по теме

Пояснительная записка  учебного занятия

«Может ли человек гулять по воде?»

Рассчитан на учащихся 6–8 классов и предполагает работу с использованием кейс-метода. Погружение в кейс осуществляется посредством просмотра видеоролика, размещённого в медиаматериалах.  Занятие  носит характер «открытия». STAжёрам предстоит самостоятельно найти ответ на проблемный вопрос и, воспользовавшись опорными знаниями и новой информацией, сделать собственное открытие.

Опорные знания, необходимые для работы с модулем: свойства жидкостей, твёрдых тел и газа; поверхностное натяжение воды; ньютоновские жидкости. Новые знания в основном связаны с неньютоновскими жидкостями и их свойствами.  

 Цели и задачи:  

 1. Пробудить и развить интерес к теме «Свойства жидкостей».

2. Найти ответ на вопрос: «Может ли человек перемещаться по поверхности воды или какой-либо другой жидкости без специальных устройств и приспособлений?»

3. Изучить свойства воды, которые позволят реализовать самостоятельные исследования и проекты в этой области.

 I этап. Погружение

В I этапе STAжёрам предлагается посмотреть видеоролик № 1, размещённый в презентации к занятию.

 Пояснения для ведущего. Видеоролик носит «вирусный» характер, происходящее в нём – намеренная «подделка». Герои видеоролика – молодые люди, которые с помощью специальных кроссовок и гидрокостюмов с большой скоростью перемещаются («бегут») по поверхности озера. Место действия – Дания. Как и было сказано ранее, ролик является поддельным: его создатели загодя установили на глубине 5–7 см деревянные конструкции. Благодаря этому и возникает впечатление, будто человек бежит по водной глади. Ведущий не сообщает об этом STAжёрам, вместо этого он задаёт вопрос, насколько правдиво происходящее

II этап. Работа с текстом

 Ведущий предлагает STAжёрам познакомиться с небольшим текстом, где содержится информация о советском физике Петре Леонидовиче Капице, а также придуманная им задача.  

Пример текста «Пётр Леонидович Капица (1894–1984) — советский физик, академик АН СССР (1939), один из основателей Московского физикотехнического института, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие явления сверхтекучести жидкого гелия, ввёл в научный обиход термин «сверхтекучесть».На экзамене Пётр Леонидович традиционно задавал своим студентам один и тот же вопрос: « С какой же скоростью должен двигаться человек, чтобы бежать по воде?» STAжёры знакомятся с текстом и высказывают свои предположения о том, каким может быть решение задачи Капицы.

 Правильный ответ: для человека, который весит 75 килограммов и носит 42-й размер обуви, скорость должна быть примерно 110 км/ч.

Далее ведущий рассказывает STAжёрам о том, что такое сверхтекучий гелий.

Пример пояснения для STAжёров  «Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём. При приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием. Этот удивительный элемент, вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке. И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим».

 Следующий шаг на этом этапе — самостоятельный поиск ответа на вопрос, кто является самым быстрым бегуном на короткие дистанции. Предполагается, что правильный ответ: Ямайский лёкгоатлет Усейн Бол, который специализируется в беге на короткие дистанции, девятикратный олимпийский чемпион и одиннадцатикратный чемпион мира (рекорд в истории этих соревнований).

После этого STAжёры смотрят видео из презентации «Забег Усейна Болта», из которого узнают о пиковой скорости легкоатлета.

 III этап. Зоология

 Работа в группе или парах STAжёрам предлагается ответить на вопросы из рабочей карты (задание 2). После того как учащиеся перечислили животных и насекомых, которые способны передвигаться по поверхности воды, ведущий рассказывает о поверхностном натяжении воды (возможен вариант, при котором STAжёры самостоятельно изучают теоретический вариант, а ведущий отвечает на возможные вопросы).

Справка для ведущего 

Поверхностное натяжение — это один из самых важных параметров воды. Оно определяет силу сцепления между молекулами жидкости, а также форму её поверхности на границе с воздухом. Именно вследствие поверхностного натяжения формируется капля, лужица, струя и пр. Летучесть (испаряемость) любой жидкости тоже зависит от силы сцепления молекул. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более летуча жидкость. Самым низким поверхностным натяжением обладают спирты и другие органические растворители. Если бы вода имела низкое поверхностное натяжение, она бы очень быстро испарялась. Но у воды довольно большая величина поверхностного натяжения. А самая большая, оказывается, у ртути: она при проливании сразу собирается в маленькие шарики.

IV этап. Наблюдение

IV этап. Наблюдение В ходе обсуждения того, какие животные могут перемещаться по поверхности воды, ведущий или кто-то из STAжёров называет ещё одно животное — ящерицу василиска. За этим следует просмотр видеоролика № 3 и выполнение задания № 3 в рабочих картах. STAжёрам предлагается сформулировать гипотезы, за счёт каких сил или приспособлений ящерицавасилиск передвигается по воде.

 Задача ведущего — подытожить полученные ответы.

Пример подведения итогов

Ящерица-василиск способна бегать по поверхности воды, удерживаясь за счёт частых ударов перепончатых задних ног (контакт с водой длится 0,068 с). Эти существа опускают лапы горизонтально на воду, так что поверхностная плёнка воды не успевает прорваться под весом тела. За способность бегать по воде этих ящериц называют иногда «ящерицами Иисуса Христа». Каждый раз, опуская лапу, ящерица как бы захватывает пальцами пузырёк воздуха, благодаря чему не намокает при беге. Когда василиски достигают полуметра в длину, то становятся слишком тяжёлыми, чтобы удержаться на поверхностной плёнке. А своё имя эти ящерицы получили из-за того, что их гребень вызывает ассоциацию с мифическим существом василиском.

V этап. Определение

STAжёрам предлагается выполнить задание № 4 в рабочих картах: пользуясь интернетом и методическими материалами они дают определение понятию жидкость. Ведущий подытоживает ответы. Например: «Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. При этом агрегатное состояние жидкости, как и агрегатное состояние твёрдого тела, является конденсированным, т. е. связанным, состоянием. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём».

VI этап. Поиск информации

 STAжёры выполняют задание № 5, благодаря чему узнают о том, что такое неньютоновская жидкость и каковы её основные свойства.

Ведущий или один из STAжёров подытоживает ответы.

Например: «Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости». Далее STAжёрам предлагается посмотреть видеоролик № 4 — отрывок из программы «Галилео», в котором даётся понятие неньютоновской жидкости.

VII этап. Изготовление неньютоновской жидкости

Смешать в химическом стакане (объёмом 100 мл) крахмал и воду в соотношении 3:1 до состояния густой сметаны. После чего STAжёры проводят с получившейся жидкостью ряд экспериментов: бьют по её поверхности стеклянной палочкой, плавно опускают её в стакан и т. п. Демонстрируя умный пластилин, ведущий рассказывает о том, что это – один из образцов неньютоновской жидкости. Каждая группа получает свой образец пластилина и проводит с ним опыты: 1) скатав пластилин в сферы, бросает его на поверхность стола (пластилин отскакивает — ведёт себя как твёрдое тело) и 2) изготавливает из пластилина любую фигуру, затем оставляет её в состоянии покоя и наблюдает за тем, как фигура меняет форму.

Следующий шаг — сравнение кинетического и обычного песка, в ходе которого STAжёры определяют его свойства, а также дают ответ на вопрос, какой песок можно назвать ньютоновской, а какой – неньютоновской жидкостью. VIII этап. Сравнение В течение 10 минут STAжёры выполняют задание № 7 в рабочей карте. Им предлагается сравнить две жидкости, воспользовавшись приведённой ниже таблицей.

IX этап. Рефлексия

В течение 30 минут группы подводят итоги и презентуют полученные результаты. На этом этапе являются важными ответы на такие вопросы, как: 1) что наблюдали в ходе работы с модулем? 2) что нового узнали? 3) какие выводы можно сделать?

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА МОДУЛЯ

Руководство по проведению занятий

Тема урока: Неньютоновская жидкость, или Может ли человек ходить по воде?

Тип урока: обобщение изученного.

Опорные понятия: ньютоновская жидкость.

Новые понятия: неньютоновская жидкость.

 Межпредметные связи: биология, физика, география.

  Пётр Леони́дович Капи́ца (1894, Кронштадт — 1984, Москва) — советский физик.

Видный организатор науки. Основатель Института физических проблем (ИФП), директором которого оставался вплоть до последних дней жизни. Один из основателей Московского физико-технического института. Первый заведующий кафедрой физики низких температур физического факультета МГУ.

Лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие явления сверхтекучести жидкого гелия, ввёл в научный обиход термин «сверхтекучесть». Известен также работами в области физики низких температур, изучении сверхсильных магнитных полей и удержания высокотемпературной плазмы. Разработал высокопроизводительную промышленную установку для сжижения газов (турбодетандер). С 1921 по 1934 год работал в Кембридже под руководством Резерфорда. В 1934 году, вернувшись на время в СССР, был насильно оставлен на родине. В 1945 году входил в состав Спецкомитета по советскому атомному проекту, но его двухлетний план реализации атомного проекта не был одобрен, в связи с чем он попросил об отставке, просьба была удовлетворена. С 1946 по 1955 годы был уволен из государственных советских учреждений, но ему была оставлена возможность до 1950 года работать профессором в МГУ им. Ломоносова.

Дважды лауреат Сталинской премии (1941, 1943). Награждён большой золотой медалью имени М. В. Ломоносова АН СССР (1959). Дважды Герой Социалистического Труда (1945, 1974). Действительный член АН СССР. Действительный член Лондонского Королевского общества (Fellow of the Royal Society).

Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяние энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

 Сверхтекучий гелий - Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём. При приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием. Этот удивительный элемент вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). С ним происходят просто чудеса. Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке. И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим. 

  Поверхностное натяжение воды - это один из самых важных параметров воды. Оно определяет силу сцепления между молекулами жидкости, а также форму ее поверхности на границе с воздухом. Именно вследствие поверхностного натяжения формируется капля, лужица, струя и пр. Летучесть (испаряемость) любой жидкости тоже зависит от сил сцепления молекул. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более летуча жидкость. Самым низким поверхностным натяжением обладают спирты и другие органические растворители.
Если бы вода имела низкое поверхностное натяжение, она бы очень быстро испарялась. Но у воды, все же, довольно большая величина поверхностного натяжения. А самая большая, оказывается, у ртути: она при проливании  сразу собирается в маленькие шарики.

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. При этом агрегатное состояние жидкости как и агрегатное состояние твёрдого тела является конденсированным, т.е. связанным, состоянием. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Неньютоновская жидкость - называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше вязкость жидкости.