Изучение капиллярных явлений жидкостей в школе

     При обучении физики нужно руководствоваться  деятельностным подходом, который предполагает подачу знаний учащихся не в готовом виде, а чтобы они самостоятельно учились добывать эти знания, обобщать, анализировать и выдавать творческое решение, т.е. развивать творческое мышление. 

3.4. Проблемное обучение  физики

     Цель  проблемного обучения – это усвоение не только основ физики, но и усвоение самого процесса получения знаний и научных фактов, где используются познавательные и творческие способности. В основе проблемного обучения лежит принцип «открытия». Однако проблемное обучение нельзя представить как цепочку самостоятельных открытий учащимися. Здесь нужно оптимальное сочетание репродуктивной и творческой деятельности.

     Проблемное  обучение начинается с создания проблемной ситуации. Проблемная ситуация предполагает появление несоответствия между теми знаниями, которые усвоили учащиеся, и явлениями, которые нужно объяснить.

     Этапы, которые следуют за созданием проблемной ситуации:

     1. Формирование проблемы.

     2. Нахождение способов ее решения.

     3. Решение проблемы наиболее оптимальным способом.

     4. Формулирование выводов.

     5. Подведение итогов.

     Уровни  проблемного обучения:

     1. Проблемное изложение (учитель сам выдвигает проблему и сам ее решает, либо показывает как она была решена в науке).

     2. Эвристическая беседа, поисковое задание (учитель формулирует и совместно с учащимися ее решает).

     3. Учитель формулирует проблему, а учащиеся самостоятельно решают ее (без учителя). (решение экспериментальных задач, какие-то опыты, наблюдения, исследовательская работа).

     4. Учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать проблему и ее самостоятельно решить.

     Для создания проблемной ситуации используются:

     1. Проблемные вопросы

     2. Физические эксперименты (демонстрации)

     3. Факты из истории открытия

     4. Лабораторные работы

     5. Экспериментальные задачи

     Для постановки задачи важно:

     1. Правильно сформулировать вопрос

     2. Проблема должна устанавливать логическую связь между ранее изученным материалом и новыми знаниями

     3. Создавать видимые границы известного и неизвестного

     4. Вызывать чувство удивления, когда сопоставляется новое с известным и понимать о необходимости приобретении новых знаний.

     Проблемные  вопросы должны содержать противоречивость информации и побуждать к поиску закономерностей.

 

Глава 4. Изучение капиллярных явлений жидкостей

в школе 

      Вызывает  интерес у учащихся опыт, который, казалось бы, противоречит их предыдущим знаниям: если взять сообщающиеся сосуды, один из которых капиллярный, то жидкость в них устанавливается на различных уровнях. Смачивающая жидкость в капилляре поднимается выше уровня в широком сосуде, а несмачивающая опускается ниже уровня в широком сосуде.

      Объяснение  этого явления проще всего  ведется, исходя из условия равновесия столба жидкости, поднятого в капиллярной  трубке над уровнем в широком сосуде.

      В средней школе только такие случаи и целесообразно рассматривать.

      Изложение капиллярных явлений наиболее целесообразно дать в такой последовательности:

• форма поверхности смачивающей и несмачивающей жидкости в капилляре;
• зависимость давления в жидкости от формы ее поверхности;
• подъем жидкостей в капиллярных трубках;
• практические применения капиллярных явлений.

      Применяя  полученные ранее учащимся знания, устанавливают, что поверхность  смачивающей жидкости у стенок сосуда вогнутая, причем в капилляре ее можно принять за полусферу. Несмачивающая  жидкость образует в узком сосуде выпуклый мениск.

      Наиболее  сложен вопрос о равновесии кривых поверхностей жидкости, т.е. вопрос о  давлении, связанном с кривизной  поверхности жидкости. К этому  вопросу следует подойти от эксперимента, показав на ряде опытов, что давление внутри жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше, а в случае вогнутого мениска жидкости меньше, чем в случае плоской поверхности.

      Установив на опытах, что давление под кривыми  поверхностями жидкости отличается от давления под плоской поверхностью и что оно зависит от радиуса кривизны, нужно перейти к количественным соотношениям и сообщить учащимся, что разность давлений для шаровых поверхностей

       ,      (34)

где р – давление под кривой поверхностью жидкости, а р₀ – давление под плоской поверхностью (равное внешнему давлению).

      Разность  давлений р – р₀ часто называют капиллярным давлением (р_к).

      Как показывает формула, капиллярное давление пропорционально поверхностному натяжению жидкости и обратно пропорционально радиусу кривизны поверхности.

      Формула капиллярного давления позволяет вычислить высоту, на которую поднимается смачивающая или опускается несмачивающая жидкость в капилляре над ее уровнем в широком сосуде. Смачивающая жидкость в капиллярной трубке поднимается потому, что давление под плоской поверхностью в широком сосуде больше, чем под вогнутой поверхностью в капилляре, на величину .

      Равновесия  жидкости наступает тогда, когда  поднятый столб жидкости своим весовым  давлением  уравновесит капиллярное давление:

       ,     (35)

откуда

.     (36)

      В этой формуле r – радиус кривизны поверхности, равный радиусу капилляра для случая полусферического мениска.

      Следует обратить внимание учащихся на то, что  капиллярные явления весьма распространены. Очень многие окружающие нас тела: дерево, бумага, ткань, кожа, различные строительные материалы – имеют в себе множество мелких каналов. Вода или другие смачивающие их жидкости, придя в соприкосновение с такими телами, впитываются ими, поднимаясь по капиллярам.

      Так, чернила поднимаются по промокательной бумаге, керосин – по фитилю, вода – по стеблям растений и по промежуткам  между частицами почвы и т.д.

 

Глава 5. Опыт с капиллярным поднятием жидкости 

     Цель  работы: Определить высоту поднятия жидкости  в капиллярной трубке.

     Оборудование: 4 капилляра с разными радиусами, вода, этиловый спирт, изобутиловый спирт, растительное масло, термометр, штангенциркуль, линейка, сосуд.

      Ход работы: Для начала с помощью штангенциркуля измерим радиусы капилляров. Чтобы измерить радиус капилляра, вставляем в капилляр деревяшку, как показано на рисунке 20. Начертив линию, измерим диаметр места с помощью штангенциркуля, где находится линия. Половина этой величины и есть радиус капилляра.

     В сосуд наливаем воду при комнатной температуре, измеряем термометром температуру воды. По очереди вставляем в сосуд капилляры и измеряем высоту поднятия жидкости. После измерений нагреваем воду и измерим температуру. По очереди вставляем капилляры и измеряем высоту поднятия жидкости. И так третий раз, тоже увеличив температуру воды. Таким же образом, делаем опыт с этиловым спиртом, изобутиловым спиртом и растительным маслом, и при этом, изменяя температуру, измерим высоту поднятия жидкости.

     Результаты исследования:

     Радиусы капилляров:

     d₁ = 1 мм,   r₁ = 0,5 мм = 0,5·10^-3 м;

     d₂ = 2,5 мм,   r₂ = 1,25 мм = 1,25·10^-3 м;

     d₃ = 4 мм,   r₃ = 2 мм = 2·10^-3 м;

     d₄ = 5 мм,   r₄ = 2,5 мм = 2,5·10^-3 м. 

 

      Обычная вода:

     Т₁=18 ºC, т.е. при комнатной температуре.

                 h₁ = 1,1 см;

                 h₂ = 0,4 см;

                 h₃ = 0,3 см;

                 h₄ = 0,2 см.

     Т₂=38 ºC.

                 h₁ = 1,3 см;

                 h₂ = 0,4 см;

                 h₃ = 0,3 см;

                 h₄ = 0,2 см.

     Т₃=44 ºC.

                 h₁ = 1,5 см;

                 h₂ = 0,6 см;

                 h₃ = 0,3 см;

                 h₄ = 0,2 см.

     Таблица №1

       
 

     

Зависимость поднятия обычной воды в капилляре от температуры 
Этиловый спирт:

     Т₁=22 ºC, т.е. при комнатной температуре.

                 h₁ = 0,9 см;

                 h₂ = 0,5 см;

                 h₃ = 0,2 см;

                 h₄ = 0,1 см.

     Т₂=35 ºC.

                 h₁ = 0,9 см;

                 h₂ = 0,5 см;

                 h₃ = 0,2 см;

                 h₄ = 0,1 см.

     Т₃=55 ºC.

                 h₁ = 0,7 см;

                 h₂ = 0,3 см;

                 h₃ = 0,1 см;

                 h₄ = 0 см.

     Таблица №2

 

Зависимость поднятия этилового спирта в капилляре от температуры

 

      Изобутиловый спирт:

     Т₁=22 ºC, т.е. при комнатной температуре.

                 h₁ = 0,7 см;

                 h₂ = 0,4 см;

                 h₃ = 0,2 см;

                 h₄ = 0,1 см.