Конспект уроку для 10 класу "Змочування. Капілярні явища. Явища змочування і капілярності в живій природі і техніці."

Урок № 77 10 клас

Тема: Змочування. Капілярні явища. Явища змочування і капілярності в живій природі і техніці.

Мета: ознайомити учнів із явищами змочування й капілярності.

Тип уроку: комбінований.

Обладнання: розплавлений парафін, картон, ножиці, дріт, мило, вода в посудині.

Найголовніше мислення не може дати жодних

знань про світ фактів. Пізнання реального світу

виходить із дослідів і закінчується ними.

А. Ейнштейн

ХІД УРОКУ

I. Розминка

Вправа «Знайди зайве»

Психрометр, гігрометр, амперметр, термометр. (Амперметр)

Роса, туман, іній, сніг, дощ, блискавка. (Блискавка)

II. Актуалізація опорних знань

Робота учнів по групах

Провести дослід та пояснити його фізичний зміст.

І група

Із тонкого картону виріжте фігури, які зображено на рисунку. Занурте їх у розплавле­ний парафін. Після того як фігури охолонуть, пустіть їх плавати на поверхню води, налитої у скляну посудину. Паличкою, кінець якої був змочений у мильному розчині, торкніть­ся води, як зображено на рисунку. «Снаряд» вилетить із «гармати». Якщо торкнутися води всередині «риби», то вона попливе.

1. Навіщо було змочувати фігури у розплав­леному парафіні?

2. Що спричиняє рух «снаряда» і «риби»?

3. Що станеться, якщо торкнутись паличкою води в місці перед «снарядом»? (У тому місці, куди потрапляє мильний розчин, поверхневий натяг зменшується, і тоді частина плівки води, поверхневий натяг якої більший, скорочуючись, тягне за собою фігури, що плавають.)

II група

Зробіть із дроту кільце діаметром 10-15 см. Прив'яжіть до нього нитку так, щоб вона з'єднала протилежні сторони кіль­ця. Довжина нитки повинна бути більшою •а діаметр, але меншою за половину довжи­ни кільця. Утворіть мильну плівку, зану­ривши кільце з ниткою у мильний розчин. Якщо проштрикнути плівку з однієї сторо­ни, то інша утворить з ниткою півмісяць. Якщо у плівці розташувати петлю і зруй­нувати плівку всередині неї, петля утворить форму кола.

1. Чому, якщо зруйнувати плівку з однієї сторони нитки, то інша утворить форму півмісяця?

2. Чому петля з нитки набуває форми саме кола, а не іншої фігури?

8. Коли сили поверхневого натягу були більшими — на початку стискання плівки чи наприкінці?

(Дія сил поверхневого натягу призводить до того, що плівка намагається зменшити площу своєї поверхні. Зруйнувавши плівку з однієї сторони, ми даємо змогу плівці, що залишилася, зменшити свою поверхню, стягнувшись у формі півмісяця. У другому випадку плівка розтягує петлю з нитки в усіх напрямах.)

III. Вивчення нового матеріалу

Дослід. Зануримо у воду пластилінову кульку. Як бачимо, куль­ка не мокра. Чому?

А коли зануримо кульку з паперу, то вона промокне. Чому?

У першому випадку, витягаючи кульку з води, ми відриваємо частинки рідини від частинок твердого тіла, а в другому — час­тинки рідини одна від одної. Це пояснюється відмінністю в силах зчеплення.

Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла більші за сили зчеплення частинок рідини, рідина називається змочуваль­ною, тобто такою, що змочує дане тверде тіло.

Якщо сили зчеплення частинок рідини й твердого тіла менші за сили зчеплення частинок рідини, рідина називається незмочувальною.

Явище змочування призводить до викривлення поверхні рідини біля поверхні твердого тіла. Явище змочування характеризується крайовим кутом .

Для змочувальної рідини крайовий кут гострий: 0 

Для незмочувальної — тупий: — 

Явище повного розтікання рідини називається повним змочуван­ням:  = 0. Воно характерне, наприклад, для води, що знаходиться на чистому склі.

Випадок  =відповідає повному незмочуванню твердого тіла рідиною. Воно спостерігається, наприклад, у разі контакту води й парафіну.

Явище змочування використовують під час склеювання, паяння, фарбування тіл. Явище змочування необхідно враховувати під час конструювання космічних апаратів, оскільки в стані невагомості змочувальна рідина розтікається по стінках посудини, в якій міс­титься, а незмочувальна — збирається великою краплею усередині посудини.

Тоненькі трубки, де рідина внаслідок змочування (чи незмо-чування) піднімається (чи опускається), називають капілярами, а явище підняття (чи опускання) рідини в них — капілярністю.

Опустимо таку трубку в рідину.

Дослід. Дуже тонку трубку опустити в воду. Вода піднімається по стінці трубки вище над рівнем рідини в посудині.

Але якщо взяти трубку трішки ширшу, то рідина піднімається над рівнем рідини в посудині менше, ніж у вузькій.

Висновок: якщо рідина змочує стінки трубки, то вона підніма­ється по стінці трубки над рівнем рідини в посудині й притому тим вище, чим вужча трубка.

Якщо рідина не змочує стінки, то, навпаки, рівень рідини у вузь­кій трубці встановлюється нижче, ніж у широкій посудині.

Встановлено, що тиск під увігнутою поверхнею менший, а під опуклою — більший, ніж під плоскою. Це можна уявити собі так, що під опуклою поверхнею рідини створюється додатковий тиск, що діє вниз. Цей додатковий тиск залежить як від поверхневого натягу, так і від форми поверхні.

Якщо позначити тиск під кривою поверхнею р; тиск під плоскою поверхнею р₀, то різницю р-р₀ називають капілярним тиском.

Тоді р_к =, тобто капілярний тиск пропорційний поверхневому натягу рідини й обернено пропорційний радіусу кривизни поверхні.

Рівновага рідини настає тоді, коли піднятий стовп рідини своїм ваговим тиском зрівноважить капілярний тиск:

Викривлену поверхню рідини в капілярах або біля стінок посу­дини називають меніском.

У змочувальної рідини меніск увігнутий, у незмочувальної — опуклий.

Додатковий тиск, зумовлений кривиною поверхні рідини, визна­чається за формулою Лапласа:

де — радіуси кривизни двох взаємно перпендикулярних перетинів поверхні рідини; знак « + » для опуклого меніска, «- для ввігнутого.

Повідомлення про відкриття капілярних явищ та їх використання

Першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі. Однак перші акуратні спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були виконані Фрепсисом Хоксбі 1709 року. Як часто буває, термодинамічний опис виявляється більш простим і більш загальним, не будучи обмеженим недоліками конкретних моделей.

Саме в такий спосіб описав капілярність Гіббс у 1878 р., побудував­ши суто термодинамічну теорію. Ця теорія стала невід'ємною частиною гіббсовської термодинаміки. Теорія капілярності Гіббса, не спира­ючись безпосередньо на які-небудь механістичні моделі, позбавле­на недоліків теорії Лапласа; вона може по праву вважатися першою детально розвиненою термодинамічпою теорією поверхневих явищ.

Про теорію капілярності Гіббса можна сказати, що вона дуже проста і дуже складна. Проста тому, що Гіббсу удалося знайти метод, що дозволяє одержати найбільш компактні і витончені термоди­намічні співвідношення, однаковою мірою застосовні до плоских і скривлених поверхонь.

Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні про­цеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 16010⁹ капілярів, загальна довжина яких сягає 60-80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капі­лярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.

Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосуван­ня рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

Капілярні явища використовуються під час видобування нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більші, ніж у нафти. Тому вода здатна витиснути нафту з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини.

Нафта має неоднакові оптичні властивості.

Під дією ультрафіолетових променів нафта здатна світитися.

При цьому легкі нафти світяться блакитним світлом, важкі — бурим і жовто-бурим. Це використовується під час пошуку нафти. Нафта є діелектриком і має високий питомий опір. На цьому засно­вані електрометричні методи встановлення в розрізі, розкритому свердловиною, нафтоносних шарів, ярів.

Як видно з наведеного історичного огляду, капілярні явища вивчаються вже протягом майже трьохсот років. За цей час досить помітно змінилися способи опису капілярних і поверхневих сил. Однак цікаво відзначити, що, починаючи з найперших робіт з теорії капілярних явищ, люди цілком правильно відносили їх до макро­скопічних проявів сил, що діють між частинками в речовині. З роз­витком уявлень про ці сили мінялося і розуміння їхньої ролі в тих чи капілярних явищах.

Теорія Гіббса дала цілком новий інструмент дослідження поверх­невих явищ. З використанням потужного й універсального апарату термодинаміки удалося дати більш строгі визначення поняттям границі розподілу фаз, товщини плівки і т. ін. Крім того, формула Лапласа для різниці тисків у фазах поблизу скривленої поверхні була отримана в теорії Гіббса без усіляких додаткових припущень про радіус дії міжмолекулярних сил. Підхід, розвинений Гіббсом, і сьогодні не утрачає своєї актуальності в силу своєї універсальності і дивної широти охоплення явищ.

Сьогодні дослідження в галузі капілярних і поверхневих сил про­довжуються, що обумовлено як їхньою важливістю в різних галузях науки, так і широким спектром практичних додатків.

IV. Узагальнення знань. Осмислення об'єктивних зв'язків

Розв'язати задачі.

1. Корковий кубик із ребром 2 см плавас у воді. Визначити глибину його занурення у воду, вважаючи змочування повним.

2. Знайдіть масу води, що піднялася по капіляру, діаметр якого 0,64 мм.

V. Підсумок уроку

Вікторипа за запитаннями

— У посудину з гарячою водою опущена капілярна трубка.

— Як зміниться рівень води в трубці під час охолодження води?

— Яку рідину можна налити в склянку вище за його вінця?

— Наведіть приклади змочування і незмочувапня.

— Який тиск називають капілярним?

— Для чого враховують явище змочування?

VI. Домашнє завдання

Розв'язати задачі.

1. Тонка сталева голка може «лежати» на поверхні води. Чи вдасть­ся цей дослід, якщо заздалегідь голку ретельно протерти одеко­лоном?

2. У спирт опущена трубка. Діаметр її внутрішнього каналу дорів­нює 0,5 мм. На яку висоту підніметься спирт у трубці? Густина спирту 800кг/м³.

4