Конкурс "Я иду на урок"

Образование жидкостных плёнок

По прогнозам ООН, уровень урбанизации в России к 2025 г. составит 96%, и если кого-то радует этот факт, то, думается, радость эта поспешна. Вдумайтесь, деревня в России – это не только продовольственная база, но и тот родник, что питает её культурную основу, её научную и философскую мысль. Практически каждый городской житель, обозрев генетическое древо, найдёт свои деревенские корни, не слишком углубляясь в историю. В сохранившихся ещё деревнях каждый выживает, как может. Замечательно, если не просто выживает, а сам создаёт социум, в котором живёт и творит. В условиях небольших сельских школ особенно важна тесная интеграция дополнительного и базового образования, и конечно, ученические исследования. Результаты таких исследований, выполненных на занятиях естественно-научного школьного объединения, воплощаются в действующие модели и видеофильмы, которые вполне можно использовать на уроках. Привожу пример одного из таких уроков.

Образовательная цель урока: знание учащимися проявления и происхождения сил поверхностного натяжения.

Ход урока

I. Организационный этап

II. Изучение нового материала

Учитель. В окружающем нас мире повседневных явлений действует сила, на которую мы обычно не обращаем никакого внимания. Сила это сравнительно невелика, её действия никогда не вызывают мощных эффектов. Тем не менее мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с какой-либо жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, о которых пойдёт сегодня речь. Это силы поверхностного натяжения.

К эффектам, вызываемым поверхностным натяжением, мы настолько привыкли, что не замечаем их. Однако в природе и в нашей жизни они играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать чернильными автоматическими ручками, картриджи в принтерах сразу же ставили бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки – пена не образовывалась бы. Слабый дождик промочил бы нас насквозь, а радугу нельзя было бы видеть ни при какой погоде. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли.

Демонстрация видеофрагмента: образование капли воды (видеофрагменты выполнены учащимися на занятиях объединения).

Всмотритесь внимательно, как постепенно растёт капля, образуется сужение – шейка, – и капля отрывается. Не нужно много фантазии, чтобы представить себе, что вода как бы заключена в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда вес превысит его прочность. В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя, как растянутая эластичная плёнка.

Такое же впечатление производит плёнка мыльного пузыря. Она походит на тонкую растянутую резиновую оболочку детского шарика. Если вынуть соломинку изо рта, то пузырь вытолкнет воздух и сожмётся.

Демонстрация видеофрагмента: сжимание мыльного пузыря.

Осторожно положим иглу на поверхность воды. Поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине лёгкие водомерки могут быстро скользить по поверхности воды, как конькобежцы по льду.

Демонстрация видеофрагмента: плавание иглы.

Прогиб плёнки не позволит вылиться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето. Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь неё, поэтому она не промокает насквозь мгновенно.

Рассмотрим, как возникает сила поверхностного натяжения. Молекулы жидкости, притягиваемые друг к другу силами межмолекулярного притяжения, стремятся сблизиться. Каждая молекула на поверхности притягивается остальными молекулами, находящимися внутри жидкости, и поэтому имеет тенденцию к погружению внутрь. Так как жидкость текуча, она принимает такую форму, при которой число молекул на поверхности минимально. Площадь поверхности уменьшается, и эффект воспринимается, как действие сил поверхностного натяжения.

Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума, называют силой поверхностного натяжения.

Многочисленные наблюдения и опыты показывают, что жидкость принимает такую форму, при которой её свободная поверхность имеет наименьшую площадь. В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не притяжение к Земле. Чем меньше капля, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поэтому маленькие капельки росы близки по форме к шару, при свободном падении дождевые капли почти строго шарообразны

Демонстрация: опыт Плато.

Плотности масла и раствора спирта одинаковы, поэтому масло плавает в спирте. Под действием силы поверхностного натяжения масло образует самую маленькую поверхность – поверхность шара. Если изменить форму шара, он через несколько секунд снова примет прежнюю форму.

Доклады учащихся

1. «Фонтан». Мы наблюдали движение струи воды, пущенной под углом к горизонту. Струя, двигаясь в воздухе под действием силы тяжести, принимает форму параболы. Почти до высшей точки подъёма вода движется сплошной струёй, затем начинает дробиться на отдельные капли. Рассмотрим две капли воды, одна из которых только что достигла высшей точки траектории, а другая уже опустилась на некоторое расстояние, двигаясь ускоренно под действием земного притяжения. Скорость нижней капли больше, чем верхней. Это означает, что расстояние между каплями со временем будет возрастать. Струя воды будет становиться всё тоньше, пока силы поверхностного натяжения не создадут в ней перемычку и затем не разорвут её на отдельные капли. То есть в разрыве падающей в поле силы тяжести струи воды повинны силы поверхностного натяжения.

2. «Мыльный пузырь». Выдувание мыльных пузырей – очень древняя забава. Так, при раскопках в Помпеях античных терм под пеплом археологи обнаружили необычные фрески. На них изображены юные жители Помпей за этим занятием.

Что же собой представляет мыльный пузырь? Стенки мыльного пузыря состоят из трёх слоёв. Два внешних – тесно прижатые друг к другу молекулы мыла. Между ними слой воды, в котором они плавают. Каждая молекула имеет два конца. Один «любит» воду, другому она безразлична. Выходя на поверхность, молекула отдаёт часть своей энергии и переходит в более устойчивое состояние. А потому ещё плавающие стремятся при малейшей возможности попасть на поверхность, освободиться от «лишней» энергии. Оттого мыльная плёнка и не рвётся, а малые трещинки в ней мгновенно закрываются выходящими из воды молекулами.

Подсчитано, что из капли воды диаметром 1 мм можно выдуть пузырь диаметром 20 см, а сантиметровой капли хватило бы на шестиметровый шар! Эластичная мыльная плёнка, стремясь уменьшить свою поверхность до минимально возможного размера, сдавливает воздух внутри пузыря. При заданном объёме газа наименьшая площадь поверхности у сферы. Когда пузырь свободно парит, его форма близка к идеальной сфере. Теоретические расчёты показали: чем меньше радиус пузыря, тем больше избыточное давление внутри него. Мы не будем повторять математических выкладок, а проведём подтверждающий теорию эксперимент.

Наливаем в тарелку до краёв воду и пускаем на её поверхность мыльные пузыри. Попадая на воду, пузырь из сферического преобразуется в две полусферы, причем нижняя приближается к плоскости.

Внимательно следим за поведением пузырей на поверхности воды – создаётся впечатление, что мы наблюдаем за живыми существами. Они движутся навстречу друг другу, сначала медленно, затем ускоряясь. Столкнувшись, пузыри соприкасаются, как бы вдавливаясь один в другой, с образованием перегородки. В случае пузырей, равных по размеру, перегородка – плоскость. В случае пузырей, разных по объёму, – сегмент сферы, выпуклостью в больший пузырь. Это ещё раз убеждает нас: давление в пузыре маленького объёма больше, чем в пузыре большого объёма.

Вывод. Давление мыльной плёнки, как и давление воздуха внутри пузыря, тем больше, чем меньше радиус сферы, образованной мыльным пузырём.

III. Экспериментальная работа

• Лабораторная работа «Наблюдение мыльных плёнок».

Цель работы: убедиться в существовании поверхностного натяжения жидкости.

Приборы и материалы: рамка из двух проволочек, связанных нитками, блюдце с мыльным раствором.

Ход работы

Опустите в блюдце с мыльным раствором рамку, пронаблюдайте, какую форму примет рамка, объясните наблюдаемые явления.

 

• Лабораторная работа «Изменение поверхностного натяжения».

Приборы и материалы: два блюдца; сосуд с дистиллированной водой; мыльный раствор, раствор сахара в воде; две чистые пипетки; пробирка с крошками пробки (пенопласта).

Ход работы

1. Налейте в одно блюдце дистиллированную воду. На её поверхность насыпьте крошки натёртой пробки так, чтобы они ровным слоем по­крыли поверхность. С помощью чистой пипетки введите на середину поверх­ности воды небольшую каплю мыльного раствора. Зарисуйте то, что вы наблюдаете. Используя табличные данные, объясните причину быстрого перемещения частичек пробки.

2. Налейте во второе блюдце дистиллированную воду. На её поверхность насыпьте крошки натёртой пробки так, чтобы они ровным слоем покрыли поверхность. С помощью чистой пипетки введите на середину поверхности воды небольшую каплю раствора сахара. Зарисуйте то, что вы наблюдаете. Используя табличные данные, объясните причину быстрого перемещения частичек пробки.

Ж.-Б.-С.-Шарден. Мыльные пузыри. Ок. 1739 г.
[zhurnal.lib.ru/f/filatow_w_w/pustota-1.shtml]

 

Результаты наблюдений оформите в виде таблицы.

№ опыта	Схематический рисунок	Объяснение причины наблюдаемого
1
2

Сделайте вывод: поверхностное натяжение зависит (не зависит) от рода жидкости.

IV. ДЗ. Накапайте в небольшой сосуд одинаковое количество капель (около 100), сначала холодной воды, затем горячей. Установите, какова разница в объёмах капель в каждом случае и объясните причину.

Людмила Петровна Иванова закончила Ленинградский ГПИ им. А.И.Герцена, педагогический стаж 22 года, учитель физики высшей квалификационной категории. В совершенстве владеет теорией и методикой преподавания, умело сочетает новаторство и педагогические традиции, способна к глубокому анализу и синтезу знаний учащихся. Её уроки содержательны и интересны, практикует использование эффективных опытов при изучении нового материала, применяет физические эксперименты. Умеет на уроке добиваться максимальной отдачи от учащихся, применяя оригинальные приёмы работы и вовлекая детей в совместное творчество. Настойчиво учит детей рационально организовывать свой труд, работать с книгой, логично и последовательно излагать свои мысли. Неоднократно награждалась почётными грамотами РУНО и республиканского МНиО, имеет звания «Почётный работник народного образования УР», «Лидер образования Воткинского района». Кабинет физики Большекиварской школы с богатым арсеналом методического и раздаточного материала является лучшим в районе. На протяжении последних десяти лет дети успешно обучаются в заочной физико-технической школе при МФТИ, побеждают на районных и республиканских олимпиадах. В рамках дополнительного образования Людмила Петровна руководит объединением учащихся, способных заниматься исследовательской деятельностью. С результатами исследовательской работы её воспитанники выступают на районных и республиканских конференциях. В течение семи лет она готовит команды на республиканский естественно-научный турнир «ЕНОТ». В 2005 г. ученица Горшкова Наталия завоевала звание «Игрок года», переиграв более 60 соперников из лучших школ республики, в том же году команда заняла по итогам турнира призовое место. Выпускники Большекиварской школы в течение последних 12 лет успешно поступают в вузы на бюджетные места, не прибегая к помощи репетиторов и подготовительных курсов, их достижения – результат упорного труда учителей школы, их педагогического мастерства. Помимо всего прочего Людмила Петровна руководит РМО учителей физики.