Submitted by Валентина Николаевна Сарандаева on чт, 07/04/2011 - 14:48
Конспект урока
Учитель: Здравствуйте, 10 класс. Прежде всего спасибо вам большое, что вы предоставили мне возможность провести этот урок в вашем классе.
Когда я провожу такие открытые уроки, я прежде всего хочу показать на этих уроках красоту своего предмета, его неповторимость. Физика- хоть и один из трудных предметов, но она вовсе не сухая наука.
Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обыденными с одной стороны, но вместе тем удивительными с другой стороны явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеем дело.
Все дети прекрасно знают, что «куличики» и замки можно строить только из мокрого песка. Сухие песчинки не пристают друг к другу. Но так же не пристают друг к другу и песчинки, целиком погружённые в воду.
Во время уроков рисования каждый из вас не раз замечал, что волоски кисточки расходятся в воде и тут же слипаются, если кисточку вынуть из воды. Задумывался ли кто – то из вас, почему так происходит?
Почему водомерки так легко перемещаются по поверхности воды?
На этом уроке и попробуем дать объяснение этим явлениям.
Но прежде немного понаблюдаем за прекрасными созданиями природы – мыльными пузырями (форма, переливы красок). (Один из учеников выдувает мыльные пузыри).
Перед вами листы с заданиями. Попробуем сейчас проделать первые 3 опыта.
Опыт № 1
«Плавающие скрепки»
Положите скрепку на полоску фильтровальной бумаги.
Осторожно опустите скрепку на поверхность воды так, чтобы полоса бумаги утонула, а скрепка осталась на поверхности.
Опыт № 2
«Водопад через мыльную плёнку»
Создайте на проволочном каркасе без нитки мыльную плёнку.
Попробуйте пропустить через неё струю воды из стакана.
Опыт № 3
«Мыльные пузыри»
Выдуйте мыльный пузырь при помощи воронки.
Для этого обмокните воронку в мыльный раствор.
Понаблюдайте за мыльным пузырём.
Зажгите свечу и направьте открытый конец воронки с мыльным пузырём на пламя свечи.
Что вы наблюдаете?
Наличие у жидкости свободной поверхности обусловливает существование особых явлений, называемых поверхностными. Они возникают в связи с тем, что молекулы внутри жидкости и молекулы на её поверхности находятся в неодинаковых условиях.
Внутри жидкости каждая молекула окружена другими такими же молекулами и испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул. В этом случае равнодействующая всех сил в среднем равна нулю. Молекулу же на поверхности окружают молекулы жидкости только с одной стороны. Равнодействующая всех сил притяжения со стороны соседних молекул в этом случае отлична от нуля и направлена внутрь жидкости. Таким образом, вблизи поверхности жидкости на каждую молекулу жидкости со стороны других её молекул действуют силы притяжения, равнодействующая которых направлена внутрь жидкости.
Для того, чтобы молекулу жидкости переместить из глубины жидкости в поверхностный слой, она должна совершить работу против сил, действующих в поверхностном слое. Следовательно, каждая молекула вблизи поверхности жидкости обладает дополнительной потенциальной энергией. Этот избыток энергии молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое, по сравнению с их энергией внутри остального объёма жидкости, называется поверхностной энергией.
Таким образом, поверхностный слой жидкости находится в состоянии натяжения и обладает запасом потенциальной энергии.
Чем больше поверхность жидкости, тем большее число молекул обладает этой избыточной потенциальной энергией.
Поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности S:
Uпов ~ S
Uпов = σ S
σ– коэффициент поверхностного натяжения жидкости, численно равный работе, необходимой для изотермического увеличения площади поверхности на одну единицу.
Условием устойчивого равновесия любого тела является минимум потенциальной энергии. Это условие справедливо и для жидкостей. В состоянии устойчивого равновесия жидкость стремится иметь минимальное значение свободной потенциальной энергии.
А для жидкости заданного объёма это возможно при минимальной площади поверхности. Из геометрии же хорошо известно, что из всех геометрических фигур равного объёма наименьшую площадь поверхности имеет шар.
Значит, в отсутствие внешних сил жидкость должна иметь при заданном объёме наименьшую площадь поверхности и принимает форму шара. Именно с этим и связана сферическая форма мелких капель и пузырьков.
В состоянии невесомости такую же сферическую форму принимает и любая масса жидкости.
Ю.А.Гагарин(9 марта – день рождения), впервые находясь в состоянии невесомости, писал: «…Невесомость — это явление для всех нас, жителей Земли, несколько странное. Но организм быстро приспосабливается к нему, испытывая исключительную легкость во всём. Что произошло со мной в это время? Я оторвался от кресла, повис между потолком и полом кабины. Переход к этому состоянию произошел очень плавно. Когда стало исчезать влияние гравитации, я почувствовал себя превосходно. Все вдруг стало делать легче. И руки, и ноги, и все тело стали будто совсем не моими. Они ничего не весили. Не сидишь, не лежишь, а как бы висишь в кабине. Все незакрепленные предметы тоже парят, и наблюдаешь их, словно во сне. И планшет, и карандаш, и блокнот… А капли жидкости, пролившиеся из шланга, приняли форму шариков, они свободно перемещались в пространстве и, коснувшись стенки кабины, прилипали к ней, будто роса на цветке».
В земных условиях форма крупных капель заметно отличается от сферической потому, что они сплющиваются под действием силы тяжести. Действием сил тяжести объясняют и то, что в земных условиях жидкости принимают форму сосуда, в который они налиты, т.е. жидкости стремятся принять такую форму, при которой их центр масс будет иметь наинизшее положение.
Стремление жидкости уменьшить сою свободную поверхность хорошо проявляется в различных явлениях и опытах.
1)Прежде всего об этом говорит шарообразная форма, которую принимают маленькие капли жидкости:
Капельки ртути на горизонтальной стеклянной пластинке;
Капли воды, разбегающиеся по раскалённой плите, если на неё попадут брызги воды;
Капли воды на пыльной дороге;
Капли росы на листьях растений и лепестках цветов;
Капли росы на паутинках и т.д.
2) Если на стеклянной трубке при разламывании образовался острый зубец, то его легко оплавить, т.е.сделать круглыми, размягчив стекло на пламени.
3) Наглядно видно стремление уменьшить свободную поверхность у мыльной плёнки.
Образуем мыльную плёнку на колечке с ниткой. Пока плёнка цела по обе стороны нитки, нитка имеет ту форму, которую она случайно приняла при образовании плёнки. Если уничтожить плёнку по одну сторону нитки, то мыльная плёнка по другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натягивает нитку.
Опыт № 4
Цель эксперимента: Убедиться в стремлении уменьшения площади свободной поверхности у мыльной плёнки.
Для этого создайте на проволочном каркасе с ниткой мыльную плёнку.
Пока плёнка цела по обе стороны нитки, нитка имеет ту форму, которую она случайно приняла при образовании плёнки.
Если проткнуть плёнку по одну сторону нитки, то мыльная плёнка по другую сторону тотчас уменьшит свою поверхность и натягивает нитку.
4) Очень наглядно стремление жидкости уменьшить свою поверхность проявляется случае тонкой струйки, стекающей вниз. Легко можно наблюдать, например, как струйка стекающего мёда, если она почему – либо начинает слишком утончаться, внезапно прерывается и поднимается вверх, образуя на конце круглую каплю.
5) Стремление плёнки сократиться до наименьших возможных размеров объясняется шарообразная форма мыльных пузырей.
6) Тем же уменьшением поверхности жидкости при установленном равновесии объясняется и слипание мокрых песчинок и мокрых волос, о чём мы говорили вначале.
7) Такие же явления мы наблюдаем на границе двух несмешивающихся жидкостей. В этом легко убедиться, проделав следующий опыт.
В плоскую вертикально поставленную кювету наливают масло и из пипетки капают подкрашенную воду. Проецируя картину на экран, наблюдают шарики воды различных размеров, медленно падающие на дно и образующие там причудливые скопления.
Поверхностное натяжение.
Измерения силы, действующей на границу плёнки жидкости, дают возможность определить поверхностное натяжение жидкости.
Опустим в воду тонкую медную проволочку, чуть изогнутую по краям, зацепим проволочку чувствительным пружинным динамометром и будем очень медленно, без толчков поднимать вверх. Показание динамометра будет постепенно увеличиваться и достигнет максимального значения, когда из воды покажется водяная плёнка, нависшая на проволочке. Меняя длину проволоки легко убедиться в том, что сила поверхностного натяжения пропорциональна её длине.
F ~ ℓ
F = σℓ
σ– коэффициент поверхностного натяжения жидкости, численно равный силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно к этому периметру.
Опыт № 5
«Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение мыльного раствора?»
Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней мыла.
Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения мыльного раствора.
Материалы: три зубочистки, жидкость для мытья посуды, миска с чистой водой.
Процесс:
Положите на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.
Смочите кончик третьей зубочистки в жидкости для мытья посуды (внимание: этой жидкости нужно совсем немного)
Окуните кончик третьей зубочистки в воду между двумя другими.
Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга. Объясните наблюдаемое явление.
Изменение (понижение) поверхностного натяжения жидкости наблюдается при растворении в ней примесей.
Насыплем на поверхность воды в сосуде какой – нибудь плавающий на её поверхности порошок (ликоподий, тальк). Этим приёмом мы сделаем заметными перемещения поверхностного слоя воды. Теперь пустим на поверхность воды маленькую каплю мыльного раствора или дотронемся до неё мокрым куском мыла. Мы увидим, что порошок стремительно побежит от капельки или от куска мыла. Это означает, что поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем поверхностное натяжение чистой воды.
Такую же картину можно наблюдать, если вместо мыла взять кусок сахара или карамели.
Опыт № 6
«Что больше: поверхностное натяжение чистой воды или поверхностное натяжение раствора сахара?»
Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней сахара.
Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение чистой воды больше поверхностного натяжения раствора сахара.
Материалы: зубочистки, сахарный леденец, миска с чистой водой.
Процесс:
Положите на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.
Смочите сахарный леденец в чистой воде и окуните его в воду между двумя зубочистками.
Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга. Объясните наблюдаемое явление.
Поднесём к сосуду с водой с тальком или порошком на её поверхности накалённое металлическое тело. От этого прогреется и поверхность воды, причём больше всего в непосредственной близости к нагретому дому. Мы увидим, что порошок разбежится от нагретого предмета.
Это показывает, что с повышением температуры поверхностное натяжение воды уменьшается.
Опыт № 7
«Что больше: поверхностное натяжение холодной воды или поверхностное натяжение горячей воды?»
Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате изменения её температуры.
Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение воды зависит от температуры.
Материалы: зубочистки, железный гвоздь, спиртовка, миска с чистой водой.
Процесс:
Положите на середину водной поверхности две зубочистки, чтобы они находились рядом.
Нагрейте железный гвоздь на спиртовке и поднесите его близко к поверхности воды между двумя зубочистками (или налейте на водную поверхность между зубочистками горячую воду).
Итоги: две зубочистки быстро удаляются друг от друга. Объясните наблюдаемое явление.
Опыт № 8
Цель эксперимента: продемонстрировать, что поверхностное натяжение жидкости зависит от длины периметра смачивания.
Зацепите самую короткую тонкую проволочку, чуть изогнутую по краям, чувствительным пружинным динамометром и опустите в воду.
Очень медленно, без толчков поднимайте проволочку.
Когда показание динамометра достигнем максимального значения, зафиксируйте это показание.
Замените короткую проволоку на длинную и повторите опыт. Сделайте вывод.
Поверхностное натяжение жидкостей зависит от природы жидкости и от температуры.
Зависимость поверхностного натяжения от рода жидкости можно установить с помощью того же чувствительного пружинного динамометра.
Опуская тонкую медную проволочку в разные жидкости, замечаем, что показания динамометра в каждом случае разные.
Смачивание и несмачивание.
Явление поверхностного натяжения проявляется не только на границе жидкость – газ, но и на границе жидкость – твёрдое тело. На границе соприкосновения твёрдых тел с жидкостями наблюдаются явления смачивания, состоящие в искривлении свободной поверхности жидкости около твёрдой стенки сосуда.
Искривлённая на границе с твёрдым телом поверхность жидкости называется мениском. Явление смачивания характеризуется краевым углом θ между поверхностью твёрдого тела и мениском.
Жидкость называется смачивающей твёрдое тело, если краевой угол острый: 0 ≤ θ ≤ π/2 (рис.а)).
Для жидкостей, не смачивающих твёрдое тело, краевой угол тупой: π/2 ≤ θ ≤ π.
При θ =0 наблюдается идеальное смачивание, а при θ = π – идеальное несмачивание, и мениск имеет сферическую форму – вогнутую и выпуклую соответственно.
Если силы притяжения между молекулами твёрдого тела и жидкости больше, чем силы притяжения молекул жидкости друг к другу, то жидкость будет смачивающей. Если молекулярное притяжение в жидкости превышает силы притяжения молекул жидкости к молекулам твёрдого тела, то жидкость не смачивает твёрдое тело.
Искривление поверхности жидкости создаёт дополнительное (избыточное) давление жидкости по сравнению с давлением под плоской поверхностью.
Для сферической поверхности жидкости дополнительное давление Рм= 2σ / R.
Из – за такого избыточного давления в тонких трубках – капиллярах наблюдается поднятие или опускание жидкости.
Поднятие смачивающей или опускание несмачивающей жидкости в капиллярах будет продолжаться до тех пор, пока избыточное давление не уравновесит гидростатическое давление ρgh.
ρgh = 2σ / R
h = 2σ / ρgR
Капиллярные явления. Смачивание.
Большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходит основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузионными явлениями.
Стволы деревьев, ветви растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений, в свою очередь, оканчивается тончайшими нитями – капиллярами. Сама почва, являющаяся источником питания для корней, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым , в зависимости от её структуры и обработки, быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъёма жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения – утрамбовывать.
Можно привести некоторые данные для организма человека.
Площадь поперечного сечения аорты 8 см2, а общая площадь сечения всех капилляров примерно 3200 см2, т.е. площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока – от 20 см/с в начале аорты до 0,05 см/с в капилляре.
Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 млрд. капилляров.
Очень разнообразна роль поверхностных явлений в жизни живой природы. Например, поверхностная плёнка воды является опорой при движении многих организмов. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее интересны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка водомерки, покрытая воскообразным налётом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней.
Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной плёнки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приёмом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).
Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз, что объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, заключённый между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает её «запас плавучести2, действуя подобно спасательному поясу.
Водоплавающие птицы не тонут в воде, так как их перья не смачиваются водой и между ними имеется воздух. Всякий раз до и после купания они обильно смазывают их жиром, который выделяется из желез. Выделяющийся жир птица захватывает клювом и втирает в оперение. Сила притяжения между молекулами воды велика, а взаимодействие между молекулами жира и воды мало, поэтому перья птиц, смазанные жиром, в воде не намокают. А между перьями и пухом находится воздух. Объем его довольно велик. У уток обычно между перьями и пухом содержится около 650 см3воздуха. Именно воздух, содержащийся в оперении и внутри перьев, особенно сильно снижает среднюю плотность тела птицы, примерно до 0,6 г/см3. Благодаря этому водоплавающие птицы не тонут в воде. Если же перья промыть обезжиривающим составом, утка едва держится на воде.
Воскообразный налёт на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений. Наличием того же воскового налёта объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах и т.д.
КРОВЛЯ ИЗ НАТУРАЛЬНОЙ СОЛОМЫ
Жилые дома или хозяйственные постройки с соломенной кровлей теперь встречаются редко. А ведь было время, когда не по одному десятку лет она служила людям. Такую кровлю поливали дожди, жгло солнце. Чернела от времени солома, и буро-зеленым панцирем мха покрывался северный скат крыши. Но стоило выдернуть из стрехи две-три соломины, и оказывалось, что темнели лишь концы соломин, а сами они сохраняли янтарно-желтую окраску и мягкий золотистый блеск. Тлению подвергался только верхний слой кровли. Солома — довольно хрупкий материал, но умело уложенная плотными рядами, она служила в кровле около полувека. Сельских строителей привлекала не только доступность и дешевизна такой крыши над головой. «Под соломенной крышей зимой в избе теплее, а летом прохладнее», — утверждали крестьяне. Действительно, толстый слой соломы — прекрасный изолятор.
Натуральная солома. Материалом для соломенной кровли может служить вереск, длинно стеблевая солома, камыш, или другой вид соломы или травы. Наиболее широкое распространение получил камыш (камышовая крыша), как наиболее долговечный материал (срок службы 50 и более лет). Соломенная крышаимеет исключительный по красоте внешний вид и придает деревянномуили каменному строениюнеповторимую специфику и уникальный колорит.
Кровля из натуральной соломыявляется единственной системой, где толщина покрытия достигает 25- 32 см, а вес составляет всего лишь 35- 40 кг. Применение натуральной соломы, а также специальная техника покрытия соломенной кровли полностью изменяют внешний вид строения, создавая тепло летом и прохладу в зимний период. Благодаря своим несомненным архитектурным достоинствам и высоким техническим характеристикам, популярность соломенных крыш вот уже несколько лет непрерывно растет в странах Западной Европы и США.
Долговечность.Соломенные крыши из натуральной соломы(камышовые крыши) устойчивы к самым экстремальным метеоусловиям. Камышсохраняет водоустойчивость более 50 лет (не впитывает воду, не промокает и не набухает от сырости), что делает успешным долгосрочное инвестирование в данную технологию. Если монтаж соломенной кровлипроводится профессионалами, то срок её службы составляет 50 и более лет в зависимости от уклона, то есть наравне с традиционными кровельными материалами.
Не является лисоломенная крыша приманкой для грызунов?Как известно, грызунов привлекают щели. В качественно уложенной соломенной (камышовой) крышещели отсутствуют, грызуны не обитают в плотно уложенных камышах, тем более что подобная растительность им не по вкусу… Следует также отметить, что в тонкие битумные плиты эти животные проникают легче, чем в камышовую кровлютолщиной 25- 35 см. Если у вас не было таких проблем с обычной крышей, тем более они не возникнуть с крышей из натуральной соломы.
Вентиляция и изоляция.Одно из важных преимуществ соломенной крышезаключается в сохранении устойчивой температуры (тепла зимой и прохлады летом). При этом в отличие от обычных систем кровельного покрытия, в соломенной кровлене требуется устройства вентиляции. Камышовая крыша толщиной 30 см и углом наклона 45° отвечает всем современным стандартам изоляции (в том числе, обладает эффективной звукоизоляцией). Теплопроводность такой соломенной кровлисоответствует теплопроводности 10 см слоя современных видов утепления.
Пожароустойчивость.С появлением различных антипиренов риск возгорания снизился до уровня вероятности воспламенения традиционных кровельных покрытий. Для обработки соломенной кровлиприменяются современные высокотехнологичные антипирены, производимые голландской компанией MAGMA International, в частности препараты Magma TAS Firestop, созданные специально для домов с соломенным покрытием. Существуют два вида антипиренов: внешний и внутренний. Обработка поверхности соломенной крышиэтим несмывающимся препаратом обеспечивает её высокие огнеупорные и водоотталкивающие свойства.
Для защитывнутренних и несущих стропил используется специальный внутренний антипирен. Для поддерживания надлежащего уровня пожарной безопасности следует осуществлять проверку состояния соломенной кровли каждые 5 лет. Антипирен Magma TAS Firestopявляется нетоксичным и экологически безопасным, не имеет запаха, не стекает с обработанной поверхности, не взаимодействует с другими веществами. Препарат характеризуется быстрым впитыванием и высыханием, весь процесс не превышает 3 часов. Препарат производится в соответствии с международными стандартами ISO 9002.
Монтаж.Стебли камышадлинной 1.5- 2.2 м прикрепляют к основанию крыши или планке с помощью стальных стержней и нержавеющей проволоки. Нижнюю часть каждого стебля отодвигают от ската крыши так, чтобы только последние 2- 4 см находились снаружи, а толщина самой соломенной крыши составляет 25- 35 см. Под действием гравитации дождь или снег скатываются по стеблю камышавниз до выступающих стеблей и спадают вниз. Сырость не проникает глубже 3- 5 см. в конечном итоге получается легкое, скрепленное сталью кровельное покрытие.
Применение.Специальных нормативов по структуре соломенной крыши не существует, однако необходимо перечислить её основные технологические параметры. Рекомендуемый уклон крыши должен составлять не менее 35°, толщина и вид покрытия подбираются в соответствии со структурными особенностями карниза и оконных проемов. Из-за толщины покрытия на соломенных крышах нет сточных желобов и водосточных труб, поэтому вопросы по установке системы для стока воды решаются в каждом конкретном случае индивидуально.
Количество квалифицированных специалистов в данной области ограничено. Обычно оборудование натуральной соломенной крыши среднего дома занимает 2-3 недели.
Задачи на явление поверхностного натяжения
Определите с помощью опыта, увеличивается или уменьшается поверхностное натяжение воды в результате растворения в ней сахара, мыла.
Раствор жира в бензине имеет больший коэффициент поверхностного натяжения, чем чистый бензин. Центр или края жирного пятна на ткани нужно смачивать бензином при удалении пятна?
Почему разрыхление почвы при бороновании способствует сохранению в ней влаги?
На одном конце соломинки выдули мыльный пузырь и поднесли другой её конец к пламени горящей свечи. Почему пламя свечи будет отклоняться при этом в сторону?
Почему острые края стекла при нагревании до плавления становятся закруглёнными?
Почему при сушке дров на солнце на конце полена, обращённом в тень, выступают капельки воды?
Для того, чтобы мазь лучше впитывалась в смазанные лыжные ботинки, их нагревают. Как нужно нагревать ботинки: снаружи или изнутри?
Почему с помощью утюга можно выводить пятна жира с костюма? Куда лучше подкладывать кусок марли или ткани: на костюм сверху или под костюм?
