Урок-исследование с компьютерной поддержкой на тему Поверхностное натяжение, 10-й класс


Цель урока:

Используя мультимедийные средства, ознакомить
учащихся с закономерностями возникновения сил
поверхностного натяжения, продолжить
формирование представлений о единстве и
взаимосвязи явлений природы, овладение методами
научного исследования.

Оборудование:

Набор для демонстрации поверхностного
натяжения, капилляры, мультимедийный проектор и
Web-камера, презентация Microsoft PowerPoint
“Поверхностное натяжение”, виртуальные
лабораторные работы.

План урока:

1 блок: проблемные опыты, постановка учебной
задачи.
2 блок: объяснение явления на основе МКТ,
количественная характеристика явления.
3 блок: демонстрация следствий – образование
капель, смачивание, капилляры с использованием
презентации.
4 блок: исследовательская работа в группах.
5 блок: виртуальные лабораторные работы.


Ход урока

Учащиеся после наблюдения проблемных опытов
пытаются вместе с учителем объяснить явления,
происходящие на поверхности жидкости. Для этого
разбираем молекулярно-кинетическую теорию
поверхностного натяжения. С помощью
демонстраций выводим зависимость силы
поверхностного натяжения от длины контура,
вводим коэффициент поверхностного натяжения.
Рассматриваем практическую значимость теории,
наблюдаем образование капель, капиллярные
явления, рассматриваем смачиваемость, выводим
формулу высоты жидкости в капиллярах. Во второй
части урока ребята получают исследовательские
задания. Наиболее успешные решения защищают у
доски, получая патент на изобретение. На втором
уроке проводим виртуальные лабораторные работы,
демонстрирующие закономерности поверхностного
натяжения.


1 блок:

При помощи веб-камеры демонстрируем проблемные
опыты по разбеганию крошек пробки на поверхности
воды под действием мыльного раствора < Рисунок
1> и разрывание капель масла спиртом. В
процессе обсуждения вопросов: “Почему крошки
пробки “разбегаются” под действием мыльного
раствора? Почему капля масла “взрывается” под
действием спирта?”
приходим к выводу, что эти
явления объединяет два обстоятельства:

  1. Явление происходит на поверхности воды.
  2. На предметы, находящиеся на поверхности,
    действуют силы со стороны жидкости.



Рисунок 1

2 блок:

Продолжая обсуждение, подводим учащихся к
мысли, что молекулы поверхностного слоя
взаимодействуют друг с другом с большей силой и
обладают дополнительной энергией по сравнению с
молекулами нижних слоев. Затем проводим
экспериментальную проверку на опытах с мыльными
пленками < Рисунок 2> и формулируем
определения:

  • Способность жидкости сокращать свою
    поверхность называют поверхностным натяжением.
  • Силы, действующие вдоль поверхности жидкости,
    перпендикулярно к линии, ограничивающей эту
    поверхность, называют силами поверхностного
    натяжения.

Рисунок 2

Далее совместно с учениками обсуждаем вопрос: “От
чего зависит сила поверхностного натяжения?”
Чтобы
ответить на этот вопрос, проводим
демонстрационный эксперимент с проволокой
разной длины < Рисунок 3> на основании
которого учащиеся делают вывод: чем больше длина
проволоки, тем больше сила поверхностного
натяжения. Затем формулируем определение:

  • Физическую величину, равную отношению силы
    поверхностного натяжения к длине линии,
    ограничивающей поверхность жидкости, называют
    коэффициентом поверхностного натяжения.

Рисунок 3

Акцентируем внимание учащихся на физическом
смысле коэффициента поверхностного натяжения:
“Коэффициент поверхностного натяжения численно
равен силе, действующей на единицу длины линии,
ограничивающей жидкость”.


3 блок:

Используя полученные знания, учитель
предлагает проанализировать различные явления,
показанные в презентации “Поверхностное
натяжение”.



Анализируя фотографии капель, делаем вывод, что
сумма сил, действующих на поверхностные
молекулы, направлена внутрь жидкости. Под
действием этих сил число молекул на поверхности
стремится к минимуму, поэтому капля имеет
сферическую форму.

Демонстрируя слайды, посвященные смачиванию,
выясняем, что это явление, возникающее
вследствие взаимодействия молекул жидкости с
молекулами твердого тела, приводящее к
искривлению поверхности и вводим понятие
краевого угла. Затем, показывая соответствующие
фотографии, разбираем вопросы: “Смачивает ли
роса листья? Смачивает ли вода перья уток?”



С помощью Веб-камеры демонстрируем опыт с
капиллярными трубками разного радиуса. Делаем
вывод, что под капиллярными явлениями понимается
изменение высоты уровня жидкости в узких трубках
– капиллярах и предлагаем учащимся привести
примеры капиллярных явлений (кровеносные сосуды,
влага в почве, гигроскопичность веществ). Затем
выводим формулу высоты подъема жидкости в
капиллярных трубках.


4 блок:

Исследовательская работа в группах проводится
для формирования познавательных умений и
навыков на основе изученных явлений.

Учащиеся разбиваются на группы, каждая из
которых получает одно из теоретических или
экспериментальных заданий. Наиболее успешные
решения учащиеся защищают у доски, получая
“Патент на изобретение”.

Экспериментальные задания:


“МЕЛ” Если положить в воду кусок мела, то из
него начнут выходить пузырьки. Экспериментально
проверить это явление и объяснить.
“ГУБКА – МЕЛ” Если положить кусок сухого мела на
мокрую губку, то мел намокнет. Если положить
сухую губку на мокрый мел, то губка останется
сухой. Экспериментально проверить данное
явление и объяснить.
“КЛИН” Два стекла соединены так, что образуют
клин. Если их частично погрузить в воду, то вода,
поднимаясь между стеклами, образует некоторую
поверхность. Объяснить явление. < Рисунок 4>.

Рисунок 4

“ЛЕЗВИЕ” Почему лезвие от безопасной бритвы
плавает на поверхности воды? Экспериментально
проверить и объяснить. Будет ли лезвие плавать в
мыльном растворе?

Теоретические задания


“ВОДА В РЕШЕТЕ” Действительно ли нельзя носить воду в
решете? Пусть тонкие нити решета натянуты на
расстоянии 1 мм друг от друга. Сколько воды можно
унести в круглом решете радиусом 10 см? Считать,
что нити не смачиваются водой.
“ПЯТНО” Для удаления жирных пятен материю
проглаживают горячим утюгом, подложив под нее
лист бумаги. Почему жир при этом впитывается в
бумагу, а не расходится по материи?
“КАПЛЯ” Оценить максимальный размер капель
воды, которые могут висеть на потолке.
“МАЗЬ” При смазывании лыжных ботинок их
нагревают, чтобы мазь лучше впитывалась. Как
нужно нагревать ботинки снаружи или изнутри?
“КРЫША” Чем объяснить, что соломенная кровля на
крыше, состоящая из отдельных стебельков, между
которыми имеется множество скважин, надежно
защищает от дождя?
“ХОЖДЕНИЕ ПО ВОДЕ” Оцените, каким должно быть ускорение
свободного падения на планете, чтобы человек мог
ходить на ней по воде в несмачиваемой водой
обуви?
“НЕВЕСОМОСТЬ” Закрытый стеклянный сосуд наполовину
заполнен водой. Как будет выглядеть поверхность
воды, если этот сосуд будет находиться в
невесомости?


5 блок:

Для закрепления материала проводим в кабинете
информатики виртуальные лабораторные работы,
разработанные наиболее сильными учениками:

  1. “Высота подъема жидкости в капиллярной
    трубке” (Приложение 1)
    и “Капилляры” для несмачивающей жидкости,
    которые позволяют получить зависимости высоты
    жидкости от коэффициента поверхностного
    натяжения, радиуса и плотности.
  2. Работа “Исследование зависимости силы
    поверхностного натяжения от длины контура”
    позволяет, изменяя вещество и длину контура,
    сопоставлять аналитическое и графическое
    представление зависимостей.

Работая с данными программами, ученики
заполняют рабочие листы итогов лабораторной
работы, содержащие таблицы, графики, контрольные
вопросы и сдают их учителю.

Пример рабочего листа:


Лабораторная работа “Высота
подъема жидкости в капиллярной трубке”

Задания:

  1. При помощи компьютерных моделей, изменяя
    значения коэффициента поверхностного натяжения,
    плотности жидкости и радиуса капилляра, получить
    набор значений высоты подъема жидкости и
    заполнить таблицу:
  2. № опыта
    Плотность
    Коэффициент поверхностного натяжения
    Радиус капилляра r
    Высота h

  3. Построить графики зависимости h(), h(), h(r). Проанализировать полученные
    зависимости.
  4. Ответить на вопросы:
  • Чем объяснить явления смачивания и
    несмачивания?
  • От чего зависит краевой угол?
  • Предложите способы и модели определения высоты
    капилляров в различных веществах.
  1. Сделать выводы.




Следующий: