УРОКИ ФІЗИКИ У 10 КЛАСІ.
МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН, ТВЕРДИХ ТІЛ*


Урок № 14

Тема. Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини

 

Мета: ознайомити учнів із особливостями рідкого стану, розкрити природу сил поверхневого натягу; розвивати уміння учнів робити висновки за допомогою спостережень та дослідів, а також знаходити раціональні шляхи розв'язування задач.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання: ложка, мед, пластмасова пляшка, картки із завданням, пісок.

Думати легко, діяти важко.

Діяти згідно з тим, як думаєш,—

найскладніше у світі.

Й. В. Ґете

ХІД УРОКУ

І. Актуалізація опорних знань

1. Станція «Загадки. Прислів’я»

Учні придумують загадки та прислів’я за темою «Вологість повітря. Пароутворення» з поясненнями.

1. Криниця і та висихає.

2. Мороз — аж іскри сиплються.

3. Навесні корець дощу ложку болота дає, а восени ложка дощу — корець болота.

4. Що росте догори дном? (Бурулька)

5. Зоря-зоряниця, молода дівиця.

Гуляти ходила, сльозу зронила,

Місяць бачив — не підняв,

Сонце побачило — підняло. (Роса)

2. Станція «Найрозумніший»

Розв’язування задач по групах з повним коментарем.

1. Тиск водяної пари за температури 14 °С становив 1 кПа. Чи була ця пара насиченою?

2. Відносна вологість повітря в кімнаті 80 %, температура повітря 15 °С. Яка густина водяної пари?

3. Температура повітря 20 °С, точка роси 8 °С. Визначте відносну вологість повітря.

4. Над поверхнею моря за температури 25 °С відносна вологість повітря 95 %. За якої температури можна очікувати появу туману?

 

II. Вивчення нового матеріалу

Слово вчителя. Ми маємо досить чітке уявлення про будову газів і твердих тіл. Газ є зібранням молекул, які рухаються безладно в усіх напрямах незалежно одна від однієї. У твердому тілі майже всі молекули тривалий час зберігають усталене взаємне розміщення, виконуючи лише значні коливання навколо певних положень рівноваги.

Значно складнішою є будова рідин. Якщо взяти замкнену посудину, у якій є рідина і пара, рідина займає нижню частину, а решта простору заповнена парою. Звичайно, молекули і в парі, і в рідині перебувають у безперервному русі і можуть вилітати з рідини і переходити в пару і, навпаки, з пари залітати в рідину. Проте між парою і рідиною зберігається (за незмінної температури) різка межа, і обмін молекулами не порушує рівноваги між цими двома станами; тільки ця рівновага має рухливий характер.

Різка межа між парою і рідиною розділяє два стани, або дві фази речовини, з яких пароподібна характеризується значно меншою густиною, ніж рідка. У рідкій фазі середня відстань між молекулами значно менша, ніж у парі, і, згідно з цим, міжмолекулярні сили зчеплення у рідині значно більші, ніж у парі. Цим і пояснюється відмінність у характері руху молекул у парі і в рідині.

У парі, подібно до газу, можна не враховувати сил зчеплення і розглядати рух як вільний політ молекул і співударяння їх однієї об одну та з навколишніми тілами.

У рідині молекули, як і у твердому тілі, значною мірою взаємодіють, утримуючи одна одну. Проте коли у твердому тілі кожна молекула зберігає необмежено довго певне положення рівноваги всередині тіла і рух її зводиться до коливання навколо цього рівноважного положення, характер руху в рідині інший. Молекули рідини рухаються значно вільніше, ніж молекули твердого тіла, хоч і не так вільно, як молекули газу. Кожна молекула в рідині протягом деякого часу рухається то туди, то сюди, не віддаляючись, проте, від своїх сусідів. Цей рух нагадує коливання молекули твердого тіла навколо положення рівноваги. Але час від часу молекула рідини виривається зі свого оточення і переходить в інше місце, потрапляючи в нове оточення, де знову протягом певного часу здійснює рух, подібний до коливання.

Отже, рух молекул рідини являє собою щось подібне до суміші рухів у твердому тілі і в газі: «коливальний» рух на одному місці змінюється «вільним» переходом з одного місця в інше. Відповідно до цього будова рідини являє собою щось середнє між будовою твердого тіла і будовою газу. Чим вища температура, тобто чим більша кінетична енергія молекул рідини, тим більшу роль відіграє «вільний» рух (тим коротші проміжки «коливального» стану молекули) і частіші «вільні» переходи, тобто тим більше рідина уподібнюється до газу. За досить високої температури, характерної для кожної рідини (так звана критична температура), властивості рідини не відрізняються від властивостей дуже стисненого газу.

Слід зазначити, що ми маємо не настільки чіткі уявлення про будову рідин, ніж про будову газів і будову кристалічних тіл, що пояснюється значно більшою складністю явищ, які характеризують рідину.

Поверхневий шар рідини відзначається особливими властивостями. Ви добре знаєте, що сухі піщинки не прилипають одна до одної, але коли пісок змочити водою, то легко можна зробити з нього будь-яку фігуру. Цікаво й те, що у воді піщинки також не будуть прилипати одна до одної. Злипання піщинок мокрого піску легко пояснити дією сил зчеплення молекул води, які огортають піщинки. Чому сили зчеплення не проявляють своєї дії, коли піщинка під водою. Вся справа в силах, які діють на піщинку з боку сусідніх молекул. Щоб перевести молекулу з внутрішніх шарів до поверхні, треба виконати роботу проти зазначеної рівнодійної сили. Отже, кожна молекула, яка перебуває поблизу поверхні рідини, має деякий надлишок потенціальної енергії порівняно з молекулами, які перебувають усередині рідини. Чим більша поверхня рідини, тим більше число молекул має цю надлишкову потенціальну енергію. Отже, у разі збільшення поверхні даної маси рідини (наприклад, якщо подрібнити воду на дрібний водяний пил) енергія рідини збільшується. У цьому випадку внутрішня енергія тіла пропорційна розмірам поверхні, і тому її часто називають поверхневою енергією.

Оскільки молекули намагаються увійти всередину рідини з її поверхні, рідина набуває такої форми, за якої її вільна поверхня має найменшу можливу величину.

Дослід. Взяти ложку меду і потроху виливати мед. Струминка меду тоншає і раптово переривається, утворюючи на кінчику круглу краплину й таким чином зменшуючи свою вільну поверхню.

На поверхні розділу рідини і її пари виникає сила, зумовлена різною молекулярною взаємодією суміжних середовищ. Кожна молекула, розміщена всередині об’єму рідини, рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними, а рівнодійна цих сил дорівнює нулю. На молекули рідини у поверхневому шарі діють їх сусіди з результуючими силами R, які намагаються втягти молекули всередину рідини. Зазнаючи однобічної дії, напрямленої всередину рідини, молекули поверхневого шару стискають рідину, чинять на неї тиск, який називають молекулярним. Поверхня має надлишкову енергію і поводиться подібно до пружної плівки, яка намагається скоротитися так, щоб вільна поверхня рідини стала мінімальною. Це сприймається як поверхневий натяг.

 

 

Сили, які діють у дотичній до поверхні площини, перпендикулярно до межі, стягуючи поверхню, називають силами поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу — це фізична величина, яка дорівнює відношенню поверхневої енергії Е (енергія перенесення молекул на поверхню) до площі цієї поверхні:

Це фізична величина, яка дорівнює відношенню сили F поверхневого натягу, прикладеної до межі поверхневого шару рідини і напрямленої по дотичній до поверхні і перпендикулярно, до довжини l цієї межі:

image78

σ залежить від:

1) роду речовини (σ спирту = 22 мН/мм, σ ртуті = 480 мН/мм);

2) температури (при підвищенні — зменшується; при критичній t = 0);

3) домішок (σ мильного розчину = 40 мН/мм; σ розчину  цукру = 80 мН/мм).

Енергія поверхневого шару рідини поверхні S:

Робота у разі зміни площі поверхневого шару плівки:

image80

Способи визначення коефіцієнта поверхневого натягу

1. Метод рамки

image81

де F1 — до відриву, F2 — після відриву, 2l - бо плівка має дві поверхні

image82

 

2. Метод крапель

image83

N — число крапель, r — радіус шийки краплі, що дорівнює внутрішньому радіусу капіляра.

 

III. Закріплення вивченого матеріалу

Дослід. У пластмасовій пляшці зробити по горизонталі три отвори діаметром 1 мм на відстані 5 мм один від одного. Налити в пляшку води. Вона витікатиме трьома струменями. Якщо стиснути струмені пальцями, проводячи ними по стінці пляшки, струмені з’єднаються в один. Якщо швидко провести рукою біля отворів зверху вниз, то знову з’являться три струмені.

1. Чому, якщо стиснути струмені пальцями, вони з’єднаються в один?

2. Чому, якщо швидко провести рукою біля отворів зверху вниз, знову з’являться три струмені?

3. Чи витікатимуть струмені, якщо закрити пляшку кришкою?

(Під час наближення струменів один до одного між ними виникає молекулярне притягання. Проводячи рукою біля отворів, ми ніби відсікаємо загальний струмінь. Відстань між струменями велика, тож знову бачимо, як витікають три струмені.)

Запитання:

— Який тиск називають молекулярним?

— Які сили називаються силами зчеплення?

— Яку величину називають коефіцієнтом поверхневого натягу?

Розв’язати задачі

1. У якої води більший коефіцієнт поверхневого натягу: у холодної чи гарячої?

2. З круглої дірочки в дні посудини капає рідина. Маса 100 крапель рівна 2 г. Яким є поверхневий натяг рідини, якщо діаметр шийки краплі перед відривом дорівнює 1,2 мм?

 

IV. Підсумок уроку

Інтерактивна вправа «Інтерв’ю»

— Що ви дізналися цікавого з цієї теми?

— Який досвід ви здобули на сьогоднішньому уроці?

— Які запитання у вас виникли з цієї теми?

— Які досліди вам сподобались і чому?

— Де б ви застосували вивчений матеріал?

 

V. Домашнє завдання

Вивчити даний параграф, розв’язати задачу:

Яку мінімальну роботу потрібно здійснити, щоб крапельку води радіусом 2 мм «розбити» на вісім однакових крапель?




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити