ен8зжешч шщдчыкешщд. Занятие 23 Тема "Модель строения жидкостей и твердых тел. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность. Механические свойства твердых тел"

• Название: Занятие 23 Тема "Модель строения жидкостей и твердых тел. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность. Механические свойства твердых тел"
• Анкор: ен8зжешч шщдчыкешщд
• Дата: 13.02.2023
• Размер: 266.05 Kb.
• Имя файла: Lektsia_23.docx
• Тип: Занятие; #935769

Технологическая карта

Занятие № 23

Тема:"Модель строения жидкостей и твердых тел. Поверхностное натяжение. Смачивание. Капиллярность. Механические свойства твердых тел".

Цели:

Прогнозируемые результаты

личностные:

− умение самостоятельно добывать новые для себя физические знания, используя для этого доступные источники информации;

− умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в команде по решению общих задач;

− умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития;

метапредметные:

− использование основных интеллектуальных операций: постановки задачи, формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов для изучения различных сторон физических объектов, явлений и процессов, с которыми возникает необходимость сталкиваться в профессиональной сфере;

− умение генерировать идеи и определять средства, необходимые для их реализации;

− умение использовать различные источники для получения физической информации, оценивать ее достоверность;

− умение анализировать и представлять информацию в различных видах;

− умение публично представлять результаты собственного исследования, вести дискуссии, доступно и гармонично сочетая содержание и формы представляемой информации;

предметные:

– владение основополагающими физическими понятиями (физическое явление, физическая величина, модель, пространство, время, тепловое движение частиц; массы и размеры молекул; идеальный газ; изотермический, изохорный, изобарный и адиабатный процессы; броуновское движение; температура (мера средней кинетической энергии молекул); необратимость тепловых процессов; насыщенные и ненасыщенные пары; влажность воздуха; анизотропия монокристаллов, кристаллические и аморфные тела; упругие и пластические деформации, фазовый переход особенности строения вещества в твердом, жидком, газообразном состоянии;

- закономерностями, законами и теориями (формулировка, границы применимости): основное уравнение кинетической теории газов, уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона), законы термодинамики, связь между параметрами состояния газа в изопроцессах;

- уверенное пользование физической терминологией и символикой: работа газа, внутренняя энергия, абсолютная температура, средняя кинетическая энергия частиц вещества, количество теплоты;

– владение основными методами научного познания, используемыми в физике: наблюдением, описанием, измерением, экспериментом;

– умения обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы (независимость ускорения свободного падения от массы падающего тела, амплитуда, частота, период колебания, длина волны);

– сформированность умения применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе и для принятия практических решений в повседневной жизни: использование низкого вакуума в медицине, применение высокотемпературного пара для стерилизации медицинского инструментария и медикаментов, использование кристаллов и других материалов в медицине и технике; тепловые двигатели и их применение на транспорте, в энергетике и сельском хозяйстве; методы профилактики и борьбы с загрязнением окружающей среды

– сформированность умения решать физические задачи:

• 
  определять характер физического процесса по графику, таблице, формуле:
  

• 
  решать задачи на расчет количества вещества, молярной массы, с использованием основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов, уравнения Менделеева-Клапейрона, связи средней кинетической энергии хаотического движения молекул и температуры, первого закона термодинамики, на расчет работы газа в изобарном процессе, делать выводы на основе экспериментальных данных, предоставленных таблицей, графиком или диаграммой;
  

- объяснять: нагревание газа при его быстром сжатии и охлаждение при быстром расширении; повышение давления газа при его нагревании в закрытом сосуде; броуновское движение решать задачи в общем виде, применяя изученные формулы;

- читать и строить графики зависимости между основными параметрами состояния газа;

- вычислять работу газа с помощью графика зависимости давления от объема;

- определять экспериментально параметры состояния газа;

- приводить примеры практического применения физических знаний: законов термодинамики;

развивающая:

-способствовать формированию умений применять приемы: сравнения, обобщения, выделения

главного, переноса теоретических знаний на практику; развития мировоззрения;

-развития навыков устной и письменной речи;

-развития критического мышления, групповой самоорганизации, умения вести диалог;

воспитательная:

-воспитывать интерес к физике и показать важность и значимость физики в практической деятельности медицинского работника;

-воспитания в учениках средствами урока уверенности в своих силах;

- развития логического мышления;

методическая:

- стимулировать познавательную и творческую активность;

- усилить мотивацию обучающихся с помощью различных методов обучения: словесного, наглядного и современных технических средств, для создания условий усвоения материала.

Тип занятия: лекция

Форма проведения: теоретическое занятие.

Формы организации учебной деятельности: коллективная, групповая, индивидуальная.

Методы обучения: словесный, наглядный, решение практических задач.

Межпредметные связи: математика, история, биология, экология, гигиена.

Внутрипредметные связи: основное уравнение МКТ, уравнение Дальтона, абсолютная температура, внутренняя энергия идеального газа, первое начало термодинамики, работа газа.

Оборудование: доска классная, мел.

Оснащение:

Методическое оснащения занятия:

Рабочая программа учебной дисциплины физика, ТП, конспект лекции, план занятия.

Дидактическое оснащение занятия: Таблицы «Первое начало термодинамики», сборник задач по ред. А.П. Рымкевича 10-11кл.


Литература и интернет-источники:

Для студентов:

1. 
   Основная: Марон А.Е., Марон Е.А.Дидактические материалы по физике 10 кл: учебно-методическое пособие. – М., 2018;
   
2. 
   Физика. 10 класс. Базовый и углублённый уровни : в 2 ч. Ч. 1 / JI. Э. Генденштейн, А. А. Булатова и др.; под ред. В. А. Орлова. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2019.
   
3. 
   Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.: Пособие для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2018;
   

Дополнительная:

Учебник физики под ред.Е.А.Безденежных, А.Ф.Шевченко
Для преподавателя:

1. 
   Громов С.В. Шаронова Н.В. Физика, 10—11: Книга для учителя. – М., 2015.
   
2. 
   Марон А.Е., Марон Е.А.Дидактические материалы по физике 10 кл: учебно-методическое пособие. – М., 2015;
   
3. 
   Физика. 11 класс. Базовый и углублённый уровни : в 2 ч. Ч. 1 / JI. Э. Генденштейн, А. А. Булатова и др.; под ред. В. А. Орлова. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2019.
   
4. 
   Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.: Пособие для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2015;
   

План:

1. 
   Организационный момент – 2-3 мин.
   
2. 
   Проверка домашнего задания – 7-10 мин.
   
3. 
   Изучение нового материала – 50-52 мин.
   

- Поверхностное натяжение жидкости.

- Коэффициент поверхностного натяжения.

- Явление смачивания – не смачивания, условия возникновения и основные характеристики.

- Капилляр и его основные характеристики.

-Капиллярные явления.

- Модель строения твердых тел.

- Механические свойства твердых тел.

4. 
   Рефлексия. Подведение итогов – 15-20 мин.
   
5. 
   Домашнее задание – 1-2 мин.
   

Учить лекционный материал. Уч.- к «Физика-10кл.» под ред. Генденштейна ч.2 §§ 30.
СВР: 1.Составление конспекта «Виды деформаций».

2. Презентация «Механические свойства костной и мышечной ткани»


Ход занятия:

1. Оргмомент: проверка присутствующих, внешнего вида, готовности к занятию.

2. Проверка домашнего задания

3. Строение жидкости и свойства жидкости.

Жидкость.

1)Расстояние между молекулами небольшое;

2)Молекулы взаимодействуют друг с другом;

3)Практически не сжимаема;

4)Есть объѐм.

5) Формы (принимает форму сосуда);

6)Ближайшие молекулы жидкости расположены упорядочено, но с ростом расстояния, порядок быстро нарушается, такое строение называется – ближний порядок.

7)Молекулы большую часть времени совершают колебания около положения равновесия (10-12 колебаний в секунду). Примерно через 100 колебаний молекулы перескакивают из одного положения в другое.

Поверхностное натяжение.

Жидкость не заполняет весь объем сосуда, в который она налита.

Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела. Молекулы в поверхностном слое жидкости (2) , в отличие от молекул в ее глубине (1), окружены другими молекулами не со всех сторон.

Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости взаимно скомпенсированы.

Любая молекула в поверхностном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости.

В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Под действием этой силы молекулы жидкости стремятся уйти из поверхностного слоя и жидкость стремится принять форму с наименьшей площадью поверхности. (В отсутствие других сил форму шара.).



Сила поверхностного натяжения.

Силой поверхностного натяжения- называется сила, направленная вдоль границы поверхности жидкости перпендикулярно ее границе и стремящаяся уменьшить площадь поверхности жидкости.



Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0). σ = Н/ м

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от:

1. Рода жидкости.

2. Наличия примеси.

3. Температуры.( )

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости


Рассмотрим границу между жидкой и твердой фазой на примере жидкости в цилиндрическом сосуде.



Твердое тело – стенка сосуда. Влиянием газовой фазы пренебрегаем.

Если молекулы жидкости, находящиеся вблизи границы Т-Ж( твёрдое тело – жидкость) на ее свободной поверхности, притягиваются к твердому телу сильнее, чем к жидкости, то они «вытягивается» из жидкости в сторону твердого тела, т.е. увеличивается площадь границы Т-Ж.

Если силы притяжения молекул из граничной области к жидкой фазе больше, чем к твердой, то площадь границы Т-Ж стремится к уменьшению. Получающийся на границе угол края жидкости к твердому телу называется углом смачивания.

Если этот угол меньше 90⁰, говорят имеет место смачивание; если – больше 90⁰, несмачивание. Если угол равен 0⁰ , то такое явление называется растеканием (говоря другими словами - очень хорошее смачивание).

Поверхностное натяжение и смачивание является причиной такого явления как капиллярность - необычного поведения жидкостей в тонких трубках (капиллярах) и узких щелях.

В зависимости от смачивания или несмачивания жидкость в капиллярах может иметь высоту подъёма больше или меньше уровня свободной поверхности жидкости в большом сосуде. Формула высоты уровня жидкости в капилляре для случая идеального смачивания имеет вид

Кристаллические тела

Сейчас мы впервые приступаем к рассмотрению твёрдых тел с точки зрения молекулярно кинетической теории. Конечно же, твёрдые тела разительным образом отличаются от газов, а тем более идеальных газов, по своей структуре и свойствам, однако мы всё равно можем, пользуясь уже имеющимися знаниями, описать их.

Во-первых, вспомним, какое определение твёрдым телам вводилось в младших классах:

Определение. Твёрдые тела – тела, которые со временем не меняют своей формы и объёма. Теперь же для расширения теории о твёрдых телах мы введём классификацию твёрдых тел. Твёрдые тела делятся на…

1. 
   Кристаллы (кристаллические тела)
   
2. 
   Аморфные тела
   
3. 
   Композиты (композитные тела) (рис. 1)
   

Рис. 1. Примеры кристаллических (соль) и аморфных (воск) твёрдых тел соответственно

Рассмотри кристаллические тела:

Определение.Кристаллы – твёрдые тела, у которых наблюдается упорядоченное расположение атомов или молекул (см. рис. 2).



Рис. 2. Пример кристаллической решётки (каменная соль)

Кристаллы, в свою очередь, также делятся на два класса:

1. Монокристаллы, то есть вся структура тела представлена единым кристаллом (алмаз, рубин, сапфир…)

2. Поликристаллы, то есть структура тела представляет собой объёдинение большого количества малых кристаллов (гранит, большинство металлов…)

Следует также знать, что кристаллическая структура не является свойством, характерным для одних химических элементов или соединений, а для других нехарактерным. Дело в том, что многие твёрдые тела обладают так называемым свойством полиморфизма.

Определение. Полиморфизм – свойство твёрдых тел существовать в состоянии с различной кристаллической решёткой. Например, уже приводимые на одном из прошлых уроков в качестве примера алмаз и графит оба состоят из углерода, однако с различным расположением его атомов.

Кристаллы могут быть распределены на две группы также и по следующим свойствам: изотропия и анизотропия.

Определение. Анизотропия – зависимость физических свойств кристалла от направления. То есть кристаллическая структура не симметрична, и существует несколько осей, вдоль которых у кристалла проявляются различные свойства (механические, электрические, оптические). Анизотропия свойственна монокристаллам.

Изотропия – независимость физических свойств кристалла от направления. Свойственна поликристаллам, потому как несимметрические монокристаллы ориентируются хаотически, сводя на нет несимметричность.

Ещё одним принципом, по которому можно классифицировать кристаллы, является природа связей, которые удерживают узлы кристаллической решётки вместе:

1. 
   Молекулярные связи характерны для кристаллов с очень низкой механической твёрдостью (кристаллы на основе водорода и гелия)
   
2. 
   Ковалентные связи характерны, напротив, для кристаллов с высокой прочностью (алмаз)
   
3. 
   Ионные связи (соли)
   
4. 
   Металлические связи (металлы)
   

Аморфные тела

Перейдём к рассмотрению аморфных тел:

Определение. Аморфные тела – тела, не имеющие строгой кристаллической решётки, бесформенные тела (смола, стекло, графит…). Аморфные тела ещё называют переохлаждёнными вязкими жидкостями в связи с тем, что у них нет строгой температуры плавления, потому как нет явного перехода от твёрдого состояния до жидкого: с увеличением температуры аморфные тела стают только более текучими, а свойство текучести сохраняется у них даже при низких температурах.

Перейдём к рассмотрению композитных тел:

Композитные тела

Определение. Композитные тела – искусственно созданные твёрдые тела, состоящие из жёсткой матрицы и нитевидного кристаллического наполнителя. Благодаря разнообразным комбинированиям этих двух составляющих, можно получать желаемую прочность, гибкость, упругость и т. д. материала.

Рассмотрим теперь такой физический процесс, как деформация, и опишем различные её разновидности.

Деформация

Определение. Деформация – изменение формы или объёма твёрдого тела. Различают пять видов деформаций:

 

1. 
   Растяжение – увеличение расстояния между молекулярными рядами
   
2. 
   Сжатие – уменьшение расстояния между молекулярными рядами
   
3. 
   Сдвиг – смещение молекулярных рядов друг относительно друга без изменения расстояния между ними
   
4. 
   Кручение – поворот молекулярных рядов друг относительно друга
   
5. 
   Изгиб – комбинация деформаций сжатия и растяжения
   

Закон Гука

Совершенно очевидно, что для того, чтобы произвести деформацию тела, необходимо приложить силу.  Но, по третьему закону Ньютона, со стороны тела будет действовать сила противодействия, или, как её назвали, сила упругости. Существует закон, позволяющий определить величину этой силы в зависимости от величины деформации. Этот закон носит имя Роберта Гука – английского учёного (рис. 3). Но прежде, чем вывести его, сформулируем некоторые параметры материала и деформации.

Определение. Абсолютная деформация (сдвига) -  :



Здесь:   - конечная длина тела;   - начальная длина тела.



Относительная деформация –  :





Механическое напряжение –  :



Здесь:   - сила упругости, действующая внутри тела;   - площадь сечения тела, перпендикулярного к направлению вектора силы.



Закон Роберта Гука в общем виде выглядит следующим образом:



Здесь:   - модуль Юнга или модуль упругости, табличная величина, характеризующая упругие качества вещества.

          Увидим теперь, как можно связать вышеприведённую формулировку закона Гука со знакомой нам ещё из курса динамики:



Подставим в формулу закона Гука в общем виде все определения для нововведенных величин:





Выразим из этого выражения силу:



Следовательно:



Очень важным является тот факт, что, во-первых, закон Гука, сформулированный на этом уроке, является более общим, нежели известный нам ранее, а во-вторых, закон Гука выполним только при небольших деформациях.



Рис. 3. Роберт Гук

Диаграмма растяжений

Для иллюстрации деформационных качеств твёрдого тела очень хорошо подходит диаграмма растяжений, то есть график зависимости механического напряжения от относительной деформации (см рис. 4).



Рис. 4. Диаграмма растяжений
Участок ОА называется участком упругости, то есть при растяжениях, попадающих в этот участок, после снятия напряжения с образца тело принимает свою первоначальную форму и объём. Значение механического напряжения в точке А называется механическим напряжением пропорциональности. Участок СD, напротив, называется областью текучести, и при деформации большей, чем значение в точке C, деформация становится эластичной, то есть тело не возвращается в начальное состояние после снятия напряжения. Именно по величине этой зоны определяется устойчивость образца к разрыву. Значение механического напряжения в точке E называется пределом прочности и соответствует той границе, при переходе которой образец разрушается.

В технике часто используется понятие «коэффициент безопасности».

Определение. Коэффициент безопасности – отношение механического напряжения пропорциональности к максимальному механическому напряжению, которое испытывает деталь, строение.

7. Жидкие кристаллы

Особенный интерес представляют собой тела, называющиеся жидкими кристаллами.

Определение. Жидкие кристаллы – тела, одновременно обладающие свойствами кристаллов (упорядоченное строение молекул и атомов) и жидкостей (текучесть). Важнейшее свойство жидких кристаллов – оптическая анизотропия, то есть неодинаковое прохождение света по разным направлениям.

Все жидкие кристаллы разделены на три типа (рис. 5):

1. 
   Нематики – кристаллы имеют нитевидную структуру
   
2. 
   Смектики – представляют собой некие мыльные растворы
   
3. 
   Холестерики – содержат в своём составе холестерин
   

Рис. 5. Схема ориентации молекул различных типов жидких кристаллов

4. Рефлексия

1. На рисунках изображены разные моменты опыта по измерению высоты поднятия жидкости в капилляре.

Расположите рисунки в правильной временной последовательности.



Решение. В опыте капилляр опускается в жидкость, и жидкость поднимается до некоторого предельного уровня. Учитывая эту последовательность, расставим картинки



2. Ответьте на вопросы:

1.Найдите радиус капилляра (мм), если известно, что



2.Чему равен угол смачивания, если жидкость растекается по поверхности твердого тела?

3.Чему равен угол смачивания, если жидкость не смачивает твердое тело?

4.Приведите номер рисунка, верно отражающего явление капиллярности



5. выберите номер капилляра, в котором жидкость поднимется выше? Если





Решение.

1.Из формулы для высоты поднятия жидкости в капилляре в случае хорошего смачивания имеем



Отсюда получим выражение для радиуса



вычислим r = (2*0,1)/(800*10*0,025) =0,001 м = 1 мм;

2.Если жидкость растекается, угол смачивания равен нулю (0⁰);

3.Есмли жидкость не смачивает твёрдое тело, угол смачивания равен 180⁰;

4.Если в одну и ту же жидкость опустить два капилляра из одного и того же материала, смачивающегося данной жидкостью, но разного радиуса, то чем меньше радиус капилляра, тем больше высота уровня жидкости в капилляре. Верный вариант – 2;

5. Считаем по формуле:



h₁ = (2*0,1)/(800*10*0,0015) =0,01666 м =16,7 мм;

h₂ = (2*0,05)/(1000*10*0,0005) =0,02 м = 20 мм

Ответ:1; 0; 180; 2; 2.
Вопросы для самоконтроля и повторения

1. Что такое монокристаллы? поликристаллы?

2. Что называется деформацией?

3. Назовите виды деформаций.

4. Как зависят размер тел от температуры?

5. Как зависит объем тел от температуры?

6. Чем отличаются аморфные тела от кристаллических?

7. Приведите примеры аморфных тел?

8. Возникла ли бы профессия стеклодува, если бы стекло было

кристаллическим телом, а не аморфным?