СВОЙСТВА ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ, ТВЕРДЫХ ТЕЛ*

Урок № 14

Тема. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение жидкости

Цель: ознакомить учащихся с особенностями жидкого состояния, раскрыть природу сил поверхностного натяжения; развивать умения учащихся делать выводы с помощью наблюдений и опытов, а также находить рациональные пути решения задач.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: ложка, мед, пластмассовая бутылка, карточки с заданием, песок.

Думать легко, действовать трудно.

Действовать согласно тому, как думаешь,-

самое сложное в мире.

И. В. Гете

ХОД УРОКА

И. Актуализация опорных знаний

1. Станция «Загадки. Пословица»

Ученики придумывают загадки и пословицы по теме «Влажность воздуха. Парообразование» с пояснениями.

1. Колодец и и высыхает.

2. Мороз - аж искры сыплются.

3. Весной корец дождя ложку болота дает, а осенью ложка дождя - корец болота.

4. Что растет вверх дном? (Сосулька)

5. Заря-денница, молодая девица.

Гулять ходила, слезу проронила,

Месяц видел - не поднял,

Солнце увидело - подняло. (Роса)

2. Станция «Самый Умный»

Решение задач по группам с полным комментарием.

1. Давление водяного пара при температуре 14 °С составлял 1 кПа. Была ли эта пара насыщенной?

2. Относительная влажность воздуха в комнате 80 %, температура воздуха 15 °С. Какова плотность водяного пара?

3. Температура воздуха 20 °С, точка росы 8 °С. Определите относительную влажность воздуха.

4. Над поверхностью моря при температуре 25 °С относительная влажность воздуха 95 %. По какой температуры можно ожидать появление тумана?

II. Изучение нового материала

Слово учителя. Мы имеем достаточно четкое представление о строении газов и твердых тел. Газ является собранием молекул, которые движутся беспорядочно во всех направлениях независимо одна от одной. В твердом теле почти все молекулы длительное время сохраняют устойчивое взаимное размещение, выполняя лишь значительные колебания вокруг определенных положений равновесия.

Значительно сложнее строение жидкостей. Если взять замкнутую емкость, в которой жидкость и пар, жидкость занимает нижнюю часть, а остальные пространства заполнена паром. Конечно, молекулы и в паре и в жидкости находятся в непрерывном движении и могут вылетать из жидкости и переходить в пар и, наоборот, из пары залетать в жидкость. Однако между паром и жидкостью сохраняется (при неизменной температуре) резкая граница, и обмен молекулами не нарушает равновесия между этими двумя состояниями; только это равновесие имеет подвижный характер.

Резкая граница между паром и жидкостью разделяет два состояния или две фазы вещества, из которых парообразная характеризуется значительно меньшей плотностью, чем жидкая. В жидкой фазе среднее расстояние между молекулами значительно меньше, чем в паре, и, согласно с этим, межмолекулярные силы сцепления в жидкости значительно больше, чем в паре. Этим и объясняется различие в характере движения молекул в паре и в жидкости.

В паре, подобно газа, можно не учитывать сил сцепления и рассматривать движение как свободный полет молекул и співударяння их одну об одну и с окружающими телами.

В жидкости молекулы, как и в твердом теле, в значительной степени взаимодействуют, удерживая друг друга. Однако когда в твердом теле каждая молекула неограниченно долго сохраняет определенное положение равновесия внутри тела и движение ее сводится к колебания вокруг равновесного положения, характер движения в жидкости другой. Молекулы жидкости движутся значительно свободнее, чем молекулы твердого тела, хоть и не так свободно, как молекулы газа. Каждая молекула в жидкости в течение некоторого времени движется то туда, то сюда, не удаляясь, однако, от своих соседей. Это движение напоминает колебания молекулы твердого тела вокруг положения равновесия. Но время от времени молекула жидкости вырывается из своего окружения и переходит в другое место, попадая в новое окружение, где снова в течение определенного времени совершает движение, подобное колебания.

Следовательно, движение молекул жидкости представляет собой нечто вроде смеси движений в твердом теле и в газе: «колебательное» движение на одном месте сменяется «свободным» переходом из одного места в другое. Согласно этому строение жидкости представляет собой нечто среднее между строением твердого тела и строением газа. Чем выше температура, т.е. чем больше кинетическая энергия молекул жидкости, тем большую роль играет «свободное» движение (тем более короткие промежутки «колебательного состояния молекулы) и частые «свободные» переходы, то есть тем больше жидкость уподобляется газа. За достаточно высокой температуры, характерной для каждой жидкости (так называемая критическая температура), свойства жидкости не отличаются от свойств очень сжатого газа.

Следует отметить, что мы имеем не столь четкие представления о строении жидкостей, чем о строении газов и строение кристаллических тел, что объясняется гораздо большей сложностью явлений, которые характеризуют жидкость.

Поверхностный слой жидкости отличается особыми свойствами. Вы хорошо знаете, что сухие песчинки не прилипают друг к другу, но когда песок смочить водой, то легко можно сделать из него любую фигуру. Интересно и то, что в воде песчинки также не будут прилипать друг к другу. Слипание песчинок мокрого песка легко объяснить действием сил сцепления молекул воды, которые окутывают песчинки. Почему силы сцепления не проявляют своего действия, когда песчинка под водой. Все дело в силах, которые действуют на песчинку со стороны соседних молекул. Чтобы перевести молекулу из внутренних слоев к поверхности, нужно выполнить работу против указанной равнодействующей силы. Следовательно, каждая молекула, которая находится вблизи поверхности жидкости, имеет некоторый избыток потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул имеет эту избыточную потенциальную энергию. Следовательно, в случае увеличения поверхности данной массы жидкости (например, если измельчить воду на мелкую водяную пыль) энергия жидкости увеличивается. В этом случае внутренняя энергия тела пропорциональна размерам поверхности, и поэтому ее часто называют поверхностной энергией.

Поскольку молекулы пытаются войти внутрь жидкости с ее поверхности, жидкость приобретает такой формы, при которой ее свободная поверхность имеет наименьшую возможную величину.

Опыт. Взять ложку меда и понемногу выливать мед. Струминка меда утончается и внезапно прерывается, образуя на кончике круглую каплю и таким образом уменьшая свою свободную поверхность.

На поверхности раздела жидкости и ее пара возникает сила, обусловленная различной молекулярной взаимодействием сопредельных сред. Каждая молекула, размещена внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, а равнодействующая этих сил равна нулю. На молекулы жидкости в поверхностном слое действуют их соседи с результирующими силами R, которые пытаются втянуть молекулы внутрь жидкости. Испытывая одностороннего действия, направленного внутрь жидкости, молекулы поверхностного слоя сжимают жидкость, оказывают на нее давление, которое называют молекулярным. Поверхность имеет избыточную энергию и ведет себя подобно упругой пленки, которая пытается сократиться так, чтобы свободная поверхность жидкости стала минимальной. Это воспринимается как поверхностное натяжение.

Силы, которые действуют в касательной к поверхности плоскости, перпендикулярно к пределу, стягивая поверхность, называют силами поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения - это физическая величина, которая равна отношению поверхностной энергии Е (энергия переноса молекул на поверхность) к площади этой поверхности:

Это физическая величина, которая равна отношению силы F поверхностного натяжения, приложенного к границе поверхностного слоя жидкости и направленного по касательной к поверхности и перпендикулярно к длине l этого предела:

σ зависит от:

1) рода вещества (σ спирта = 22 мН/мм, ртути σ = 480 мН/мм);

2) температуры (при повышении - уменьшается; при критической t = 0);

3) примесей (мыльного раствора σ = 40 мН/мм; σ раствора сахара = 80 мН/мм).

Энергия поверхностного слоя жидкости поверхности S:

Работа в случае изменения площади поверхностного слоя пленки:

Способы определения коэффициента поверхностного натяжения

1. Метод рамки

где F1 - до отрыва, F2 - после отрыва, 2l - потому что пленка имеет две поверхности

2. Метод капель

N - число капель, r - радиус шейки капли равен внутреннему радиусу капилляра.

III. Закрепление изученного материала

Опыт. В пластмассовой бутылке сделать по горизонтали три отверстия диаметром 1 мм на расстоянии 5 мм друг от друга. Налить в бутылку воды. Она будет вытекать тремя струями. Если сжать струи пальцами, проводя ими по стенке бутылки, струи соединятся в один. Если быстро провести рукой возле отверстий сверху вниз, то снова появятся три струи.

1. Почему, если сжать струи пальцами, они соединятся в один?

2. Почему, если быстро провести рукой возле отверстий сверху вниз, снова появятся три струи?

3. Или утекать струи, если закрыть бутылку крышкой?

(Во время приближения струй друг к другу между ними возникает молекулярное притяжение. Проводя рукой возле отверстий, мы как бы отсекаем общую струю. Расстояние между струями большая, поэтому снова видим, как вытекают три струи.)

Вопрос:

Давление называют молекулярным?

- Какие силы называются силами сцепления?

- Какую величину называют коэффициентом поверхностного натяжения?

Решить задачи

1. В которой воды больше коэффициент поверхностного натяжения: в холодной или горячей?

2. Из круглой дырочки в дне сосуда капает жидкость. Масса 100 капель равна 2 г. Которым является поверхностное натяжение жидкости, если диаметр шейки капли перед отрывом равна 1,2 мм?

IV. Итог урока

Интерактивное упражнение «Интервью»

- Что вы узнали интересного из этой темы?

- Какой опыт вы получили на сегодняшнем уроке?

- Какие вопросы у вас возникли по этой теме?

- Какие опыты вам понравились и почему?

- Где бы вы применили изученный материал?

V. Домашнее задание

Изучить данный параграф, решить задачу:

Какую минимальную работу нужно совершить, чтобы капельку воды радиусом 2 мм «разбить» на восемь одинаковых капель?