Тема 2. Тема 2

матеріал 7

Фізичні властивості рідин та газів

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 21. Теоретичний науковий метод

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
формулює самостійно або у співпраці з іншими мету дослідження [12 ПРО 1.2.1]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи відповідно до мети і гіпотези дослідження [12 ПРО 1.3.1
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
опрацьовує та аналізує самостійно або у співпраці з іншими результати дослідження [12 ПРО 1.5.1]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12 ПРО 1.6.3]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різний спосіб [12 ПРО 2.2.2]
порівнює, аналізує самостійно або у співпраці з іншими природні і техногенні об’єкти, явища і процеси на основі наукових методів пізнання та законів природи [12 ПРО 3.1.1]
установлює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими взаємозв’язки між природними, техногенними об’єктами, закономірності явищ природи [12 ПРО 3.3.1]
визначає самостійно або у співпраці з іншими аргументи/твердження, теорії, що ґрунтуються на наукових фактах і доказах [12 ПРО 4.1.1]
розробляє самостійно або у співпраці з іншими стратегії ефективного розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]

Мета уроку: сформувати уявлення про фізичні властивості рідин і газів, розвити навички спостереження, аналізу фізичних процесів, критичного мислення та практичного застосування знань

Очікувані результати для вчителя:

учні наводять приклади фізичних властивостей рідин і газів
пояснюють прояви властивостей у різних життєвих ситуаціях
порівнюють рідини та гази за основними фізичними характеристиками
аналізують приклади застосування властивостей у побуті, техніці та природі

Очікувані результати для учнівства:

пояснюють фізичні властивості рідин та газів: густина, плинність, стисливість, в’язкість, температурне розширення та поверхневий натяг
проводять спостереження і роблять висновки щодо особливостей руху молекул у рідинах і газах
порівнюють властивості рідин і газів
застосовують знання для вирішення практичних завдань
критично оцінюють вплив фізичних властивостей середовища на природні явища і технічні процеси

Ключові слова:

густина
плинність
стисливість
в’язкість
теплове розширення
поверхневий натяг

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Густина, в’язкість та плинність
2.2. Стисливість рідин та газів
2.3. Поверхневий натяг і змочування рідин
2.4. Теплове розширення
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Проблемне питання

Чому крапля води тримає форму, а крапля спирту розтікається по поверхні?

Джерело: https://gemini.google.com/

Відповідь:

Крапля води тримає форму, тому що вода має високий поверхневий натяг через сильне притягання молекул одна до одної, тоді як у спирту поверхневий натяг значно нижчий, тому його крапля легше розтікається по поверхні через слабші міжмолекулярні взаємодії та кращу здатність змочувати поверхні.

Чому вода в тріщині скелі може зруйнувати камінь під час морозу?

Джерело: https://gemini.google.com/

Відповідь:

Вода в тріщині скелі може зруйнувати камінь під час морозу, тому що при замерзанні вода розширюється приблизно на 9 %, створюючи великий тиск на стінки тріщини, що призводить до розширення тріщини і поступового руйнування каменю.

Чому автомобільні гальма працюють саме на рідині, а не на газі?

Джерело: https://gemini.google.com/

Відповідь:

Автомобільні гальма працюють на рідині, а не на газі, тому що рідини майже не стискаються і миттєво передають тиск від педалі гальма до гальмівних механізмів, тоді як гази сильно стискаються і не можуть ефективно передавати зусилля.

Посилання на відео джерела:

https://youtu.be/KT0IvuzMsbs?feature=shared

Відео

2. Теоретичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 20 хв.

Використовуйте наочні матеріали (відео, анімації, моделі), щоб продемонструвати рух молекул у рідинах і газах та пояснити поняття густини, в’язкості та плинності.

Проведіть прості досліди для порівняння в’язкості різних рідин (наприклад, наливання олії, води та меду з однакової висоти).

Заохочуйте учнів наводити власні приклади застосування цих властивостей у житті.

2.1. Густина, в’язкість та плинність

Фізичні властивості рідин і газів відіграють критично важливу роль у природних явищах і технічних процесах, які оточують нас щодня. Від руху річок і океанських течій до роботи таких технологій, як автомобільні двигуни, системи охолодження, аеродинаміка літаків і навіть прогнозування погодних умов.

Наприклад, під час польоту літака важливо враховувати взаємодію між повітрям і літаком, де густина повітря і в’язкість впливають на опір руху та ефективність паливопостачання.

Розуміння фізичних властивостей рідин і газів дає нам змогу не лише описати природні явища, а й розробляти нові технології, підвищуючи ефективність і знижуючи витрати енергії в промисловості, медицині та побуті.

Густина – це фізична величина, яка характеризує масу одиниці об’єму речовини:

(1) $\begin{equation*} \rho = \frac{m}{V} \end{equation*}$

де ρ – густина речовини, кг/м³, m – маса речовини, кг, V – об’єм, м³.

Густина рідин майже незмінна при зміні тиску, але може злегка змінюватися із температурою – з підвищенням температури густина рідин зменшується. Хоча існують винятки, як от наприклад при нагріванні води у діапазоні від 0 ^оС до 4 ^оС її густина збільшується.

Густина газів є набагато меншою, ніж густина рідин (див. таблиця 1). Вона сильно залежить від тиску і температури – підвищення тиску збільшує густину, а підвищення температури зменшує.

Густина визначає, наскільки щільно розташовані молекули або атоми у речовині і є важливою для опису властивостей як рідин, так і твердих тіл і газів.

Таблиця 1 Густина деяких рідин і газів за нормальних умов (температура 20 ℃, тиск 1 атм)

Речовина	Густина, кг/м³
Рідини
Вода	998
Етанол (спирт)	789
Олія рослинна	900
Бензин	710
Гази
Повітря	1,29
Вуглекислий газ (CO₂)	1,98
Водень (H₂)	0,089
Кисень (O₂)	1,43
Азот (N₂)	1,25

В’язкість – це здатність рідини чи газу чинити опір переміщенню різних її шарів один відносно одного. Внутрішнє тертя (в’язкість) в рідині чи газі виникає через взаємодію молекул сусідніх шарів речовини (див. таблиця 2). Чим більша в’язкість, тим повільніше тече рідина (див. рис. 1).

Джерело: https://steiner-pumps.com/vyazkost-zhidkostej/

Динамічна в’язкість η вимірюється в паскалях на секунду, Па⋅с. У рідин в’язкість зменшується зі зростанням температури, а у газів навпаки – в’язкість зростає з температурою.

Таблиця 2 Приклади динамічної в’язкості при 20 ℃

Речовина	Динамічна в’язкість, Па⋅с
Вода	1,0×10^-3
Мед	2
Гліцерин	1,5
Повітря	1,8×10^-5

Плинність ϕ – це здатність речовини текти, тобто змінювати свою форму під дією навіть невеликої сили. Іншими словами, плинність визначає, наскільки легко шари речовини можуть ковзати один відносно одного.

Рідини мають високу, але обмежену плинність: вони зберігають свій об’єм, хоча легко змінюють форму, приймаючи форму посудини. Гази мають ще більшу плинність, ніж рідини: вони не лише змінюють форму, а й займають увесь доступний об’єм.

В’язкість і плинність взаємопов’язані – чим менша в’язкість речовини, тим вища її плинність:

(2) $\begin{equation*} \Phi = \frac{1}{\eta} \end{equation*}$

Вода має меншу в’язкість і тому легше тече, ніж мед чи гліцерин, у яких в’язкість висока, а плинність – низька.

Плинність газів і рідин пояснює явища течії вітру, річок, морських течій, поведінку диму чи хмар. У трубопроводах вивчають, як плинність впливає на рух нафти, води або інших рідин, визначають тиск і швидкість течії.

Кров має певну в’язкість і плинність. Якщо кров стає занадто в’язкою (наприклад, через зневоднення чи захворювання), це підвищує навантаження на серце та ризик тромбозу.

Плинність слизу в легенях впливає на дихання. Наприклад, при муковісцидозі слиз стає густішим і втрачає нормальну плинність, що ускладнює очищення дихальних шляхів.

У суглобах є синовіальна рідина, яка завдяки своїй плинності забезпечує легке ковзання кісток і амортизацію ударів.

2.2. Стисливість рідин та газів

Дружня порада вчителю

Використовуйте демонстрації, щоб показати стисливість газів та нестисливість рідин.

Поясніть практичне застосування стисливості газів (наприклад, робота двигуна внутрішнього згоряння) та нестисливості рідин (гідравлічні системи).

Зверніть увагу на одиниці вимірювання коефіцієнта стиснення та модуля пружності.

Стисливість – це здатність речовини змінювати свій об’єм під дією зовнішнього тиску (див. таблиця 3).

Рідини:

Мають дуже малу стисливість;
їх об’єм практично не змінюється навіть під великим тиском;

Гази:

Мають дуже велику стисливість;
легко змінюють об’єм при зміні тиску і температури.

Стисливість рідини характеризується коефіцієнтом об’ємного стиснення, який визначається за формулою:

(3) $\begin{equation*} \beta_V = -\frac{1}{V} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta p} \end{equation*}$

де V – початковий об’єм рідини, м³,

∆V – зміна цього об’єму, м³, при збільшенні тиску на величину ∆p, Па. Знак «мінус» у формулі вказує на те, що при збільшенні тиску об’єм зменшується. Тобто ∆V та ∆p будуть мати протилежні знаки – цей дріб буде від’ємним. Таким чином наявність мінуса у формулі призведе до того, що коефіцієнт об’ємного стиснення буде додатнім.

Величина K, обернена до V, називається модулем об’ємної пружності (або модулем всебічного тиску) рідини, Па^-1:

(4) $\begin{equation*} K = \frac{1}{\beta_v} \end{equation*}$

Таблиця 3 Стиснення рідин та газів

Речовина	V, Па	K, Па^-1
Вода	2,2×10⁹	4,5×10^-10
Повітря	1,0×10⁵	1,0×10^-5
Олія рослинна	1,5×10⁹	6,7×10^-10
Ртуть	2,8×10¹⁰	3,6×10^-11
Сталь	1,6×10¹¹	6,3×10^-12

2.3. Поверхневий натяг і змочування рідини

Дружня порада вчителю

Проведіть досліди «шпилька на воді» чи «мильна плівка», щоб продемонструвати явища поверхневого натягу.

Обговоріть практичне застосування поверхневого натягу (наприклад, утворення крапель, рух комах по воді, прання).

Поверхневий натяг є важливим фізичним явищем, яке відіграє значну роль у багатьох природних процесах і технологічних застосуваннях.

Поверхневий натяг – це властивість рідини, яка змушує її поверхню поводитися як пружна плівка, що прагне скоротити свою площу до мінімуму.

Це явище зумовлене міжмолекулярними силами притягання (когезією) між молекулами рідини.

Молекули всередині рідини притягуються сусідніми молекулами з усіх боків, і сили притягання компенсують одна одну. Однак молекули на поверхні рідини зазнають нескомпенсованої сили, спрямованої всередину рідини. Це створює на поверхні напруження, яке прагне скоротити площу поверхні (див. рис. 2).

Джерело: https://gemini.google.com/

Коефіцієнт поверхневого натягу σ – це фізична величина, яка характеризує здатність рідини чинити опір збільшенню площі її поверхні. Він чисельно дорівнює силі, що діє вздовж одиниці довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини, і спрямована перпендикулярно до цієї лінії:

(5) $\begin{equation*} \sigma = \frac{F_{\text{пов}}}{l} \end{equation*}$

де F_пов– сила поверхневого натягу, Н, l – довжина лінії, вздовж якої діє сила, м.

У системі SI коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в ньютонах на метр, – Н/м.

За величиною коефіцієнт поверхневого натягу також дорівнює поверхневій енергії, що припадає на одиницю зміни площі поверхні рідини:

(6) $\begin{equation*} \sigma = \frac{W_{\text{пов}}}{\Delta S} \end{equation*}$

де W_пов – робота (поверхнева енергія), Дж, що потрібна для збільшення площі поверхні на ∆S, м².

Різні рідини мають різний коефіцієнт поверхневого натягу через відмінності в силах міжмолекулярної взаємодії (див. таблиця 4).

Таблиця 4 Коефіцієнт поверхневого натягу при 20 °C

Рідина	Коефіцієнт поверхневого натягу σ, Н/м
Вода	0,0728
Ртуть	0,485
Спирт етиловий	0,0223
Бензин	0,028
Мило у воді	0,025-0,035

Дружня порада вчителю

Покажіть різні приклади змочування та незмочування.

Поясніть, як ПАР (поверхнево-активні речовини) впливають на поверхневий натяг і чому вони використовуються в мийних засобах.

З підвищенням температури кінетична енергія молекул зростає, що послаблює сили когезії та призводить до зменшення поверхневого натягу.

Наявність домішок може як збільшувати, так і зменшувати поверхневий натяг залежно від їхньої природи. Розчинні речовини, такі як солі, зазвичай збільшують поверхневий натяг, а поверхнево-активні речовини (ПАР), такі як мила та детергенти, значно його зменшують.

Рідина може змочувати, або не змочувати поверхню.

Змочування відбувається тоді, коли сили притягання між молекулами рідини та молекулами твердої поверхні (адгезія) сильніші за сили притягання між молекулами самої рідини (когезія). У цьому випадку рідина прагне розтікатися по поверхні, утворюючи невеликий кут контакту θ (менше 90°). Прикладами змочування є вода на чистій скляній поверхні або спирт на більшості поверхонь.

Незмочування відбувається тоді, коли сили когезії в рідині сильніші за сили адгезії між рідиною та твердою поверхнею. У цьому випадку рідина прагне зібратися в краплі, мінімізуючи площу контакту з поверхнею, і утворює великий кут контакту θ (більше 90°). Прикладами незмочування є вода на восковій або жирній поверхні, а також ртуть на склі (див. рис. 3).

Кут контакту – краєвий кут – є кількісною мірою змочування. Чим менший кут контакту, тим краще змочування, і навпаки.

Джерело: https://lms.e-school.net.ua/asset-v1:UIED+Physics-10th-grade+2020+type@asset+block@%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D1%84%D1%96%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_10%D0%BA%D0%BB_3_316.pdf

2.4. Теплове розширення

Дружня порада вчителю

Продемонструйте теплове розширення рідин і газів (наприклад, нагрівання колби з рідиною або повітряної кульки).

Теплове розширення – це збільшення розмірів тіла (довжини, площі або об’єму) внаслідок підвищення температури.

Коефіцієнт об’ємного розширення β – це фізична величина, яка показує, наскільки змінюється об’єм тіла при зміні температури на 1 °C (або 1 К) (див. таблиця 5):

(7) $\begin{equation*} \beta = \frac{\Delta V}{V_0 \cdot \Delta T} \end{equation*}$

де ∆V – зміна об’єму, м³, β – коефіцієнт об’ємного розширення, 1/°C або 1/K, V₀ – початковий об’єм, м³, ∆T – зміна температури, °C (К).

Таблиця 5 Коефіцієнт об’ємного розширення

Речовина	(°C^-1)
Вода	210`×`10^-6
Алюміній	72×10^-6
Мідь	51×10^-6
Повітря	3400×10^-6

Рідини та гази розширюються сильніше, ніж тверді тіла. У деяких речовин (наприклад, вода при температурі 0-4 °C) спостерігається аномальне теплове розширення.

3. Практичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 15 хв.

Завдання № 1

(Порівняння густини різних рідин)

Візьміть воду, олію та спирт. Налийте обережно в прозору посудину. Який шар буде зверху? Зробіть висновок про густину.

Відповідь:

У посудині рідини розташуються шарами. Зверху буде спирт, посередині – олія, а внизу – вода.

Спирт має найменшу густину, тому він знаходиться зверху.

Вода має найбільшу густину, тому вона знаходиться внизу.

Олія має густину між густиною спирту та води, тому вона знаходиться посередині.

Завдання № 2

(Дослід зі змочуванням)

Капніть воду на різні поверхні – скло, пластик, тканина та віск. Зафіксуйте форму краплі. Визначте, де відбувається змочування, а де – ні.

Відповідь:

На склі крапля води має пласку форму, добре розтікається – це означає, що скло добре змочується водою. На пластику залишається опуклою, майже кулястою, що вказує на погане змочування. На тканині (бавовні) крапля швидко вбирається, що також є ознакою доброго змочування. На воску крапля води зберігає майже ідеальну сферичну форму, що свідчить про повну відсутність змочування.

Отже, змочування спостерігається на склі та тканині, а на пластику та воску – ні.

Завдання № 3

(Дослід із поверхневим натягом води)

У вузьку повну колбу наливають воду доверху так, що вона утворює опуклу поверхню (меніск). Потім один за одним акуратно кидають у колбу однакові металеві монети, намагаючись не пролити воду. Після 18-ї монети вода переливається через край.

Питання:

Чому вода не переливалася одразу після заповнення колби?

Яке фізичне явище дозволяло утримувати воду в колбі понад край?

Що б змінилося, якби воду попередньо змочили мильним розчином?

Відповідь:

Завдяки поверхневому натягу вода могла трохи підніматися над краєм колби.
Поверхневий натяг створює тонку еластичну плівку, яка утримує воду.
Мильний розчин знижує поверхневий натяг, тому вода перелилася б раніше.

Завдання № 4

(Обчисліть густину)

Маса 500 мл спирту складає 395 г. Обчисліть густину спирту.

Відповідь:

Об’єм V = 500 мл = 0,0005 м³ (оскільки 1 мл = 1 10^-6 м³)

Маса m = 395 г = 0,395 кг (оскільки 1 г = 0,001 кг)

(8) $\begin{equation*} \rho = \frac{m}{V} \end{equation*}$

(9) $\begin{equation*} \rho = \frac{0{,}395\ \text{кг}}{0{,}0005\ \text{м}^3} = 790\ \text{кг/м}^3 \end{equation*}$

Завдання № 5

(В’язкість і плинність)

Якщо в’язкість води становить 1 × 10⁻³ Па, а меду – 2 Па, у скільки разів плинність води більша за плинність меду?

Відповідь:

В’язкість води: η_вода=1×10^-3 Па

В’язкість меду: η_ме_д=2 Па

Знайдемо плинності:

(10) $\begin{equation*} \Phi = \frac{1}{\eta} \end{equation*}$

(11) $\begin{equation*} \Phi_{\text{вода}} = \frac{1}{1 \cdot 10^{-3}\ \text{Па}} = 1000\ \text{Па}^{-1} \end{equation*}$

(12) $\begin{equation*} \Phi_{\text{мед}} = \frac{1}{2\ \text{Па}} = 0{,}5\ \text{Па}^{-1} \end{equation*}$

Знайдемо, у скільки разів плинність води більша:

(13) $\begin{equation*} \frac{\Phi_{\text{вода}}}{\Phi_{\text{мед}}} = \frac{1000\ \text{Па}{-1}}{0{,}5 \text{Па}{-1}} = 2000 \end{equation*}$

Відповідь: плинність води у 2000 разів більша, ніж плинність меду.

Завдання № 6

(Стисливість рідини)

Під час стиснення об’єм води зменшився на 2,5×10^-6 м³ під дією тиску 5×10⁶ Па. Початковий об’єм становив 0,01 м³. Знайдіть стисливість води.

Відповідь:

Зміна об’єму ΔV = -2,5 × 10^-6 м³, знак “мінус” вказує на зменшення об’єму

Початковий об’єм V= 0,01 м³,Зміна тиску Δp = 5 ×10⁶ Па.

(14) $\begin{equation*} \beta_v = -\frac{1}{V} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta p} \end{equation*}$

(15) $\begin{equation*} \beta_V = -\frac{2{,}5 \cdot 10{-6} \text{м}3}{0{,}01\ \text{м}^3 \cdot 5 \cdot 10^6\ \text{Па}} = 5 \cdot 10{-11} \text{Па}{-1} \end{equation*}$

Завдання № 7

(Поверхневий натяг)

Щоб розірвати водяну плівку в капілярі радіусом 0,5 мм, потрібно прикласти силу 7,2 мН. Знайти коефіцієнт поверхневого натягу води.

Відповідь:

Радіус капіляра: R = 0,5 мм = 0,0005 м = 5 × 10^-4 м

Сила: F = 7,2 мН = 7,2 × 10^-3 Н

(16) $\begin{equation*} \sigma = \frac{F_{\text{пов}}}{l} = \frac{F_{\text{пов}}}{2 \cdot \pi \cdot R} = \frac{7{,}2 \cdot 10^{-3}\ \text{Н}}{2 \cdot 3{,}14 \cdot 5 \cdot 10^{-4}\ \text{м}} = 2{,}29 \end{equation*}$

Завдання № 8

(Теплове розширення)

Об’єм повітря в посудині при 20 °C становить 1 л. Яким буде об’єм при 40 °C, якщо коефіцієнт об’ємного розширення становить 3400 × 10^-6 °C^-1?

Відповідь:

Початковий об’єм:

V₀ = 1 л = 0,001 м³ = 1 × 10^-3 м³,

Коефіцієнт об’ємного розширення: = 3400 × 10^-6 °C^-1

(17) $\begin{equation*} \beta = \frac{\Delta V}{V_0 \cdot \Delta T} \end{equation*}$

∆V= βV₀∆T=3400×10^-6°С^-1 ×1×10^-3 м³ × 20 °C=68000×10^-9м3=0,06810^-3м3

V=V₀+∆V=1×10^-3 м³+0,068×10^-3м³=1,068×10^-3м³

V=1,068×10^-3м³=1,068 л

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв.

Рівень А

Покладіть шпильку на воду. Поясніть, чому вона не тоне.

Відповідь:

Молекули на поверхні води притягуються одна до одної, створюючи натяг, що діє як тонка «плівка». Ця «плівка» чинить вгору спрямовану силу, яка компенсує вагу легкої шпильки, якщо вона лежить рівно і не прориває поверхню.

Рівень В

Маса 300 мл рідини дорівнює 200 г. Обчисли її густину в г/мл та кг/м³.

Відповідь:

Об’єм V = 300 мл = 0,0003 м³ (оскільки 1 мл = 1×10^-6 м³)

Маса m = 200 г = 0,2 кг (оскільки 1 г = 0,001 кг)

(18) $\begin{equation*} \rho = \frac{m}{V} \end{equation*}$

(19) $\begin{equation*} \rho = \frac{200\ \text{г}}{300\ \text{мл}} = 0{,}067\text{г/мл} \end{equation*}$

(20) $\begin{equation*} \rho = \frac{0{,}2\ \text{кг}}{0{,}0003\ \text{м}^3} = 667 \text{кг/м}^3 \end{equation*}$

Рівень С

Об’єм повітря за температури 15 °C становить 2 л. Знайди об’єм при 45 °C, якщо коефіцієнт об’ємного розширення дорівнює 3,4 × 10^-3 °C^-1. Відповідь подай у літрах.

Відповідь:

Початковий об’єм: V₀ = 2 л = 0,002 м³ = 2×10^-3 м³,

Коефіцієнт об’ємного розширення: β = 3,410^-3 °C^-1.

(21) $\begin{equation*} \beta = \frac{\Delta V}{V_0 \cdot \Delta T} \end{equation*}$

∆V= βV₀∆T=3,4×10^-3 °С^-1 ×2×10^-3

V=V₀+∆V=2×10^-3 м³+0,204×10^-3м³=2,204×10^-3м³

V=2,204×10^-3м³=2,204 л

5. Рефлексія

Дружня порада вчителю

Тривалість до 2 хв.

Заохочуйте учнів бути чесними та відвертими у своїх роздумах.

«5 балів»

Оціни від 1 до 5 балів тезиси:

«Я розумію, що таке поверхневий натяг і як він проявляється в різних ситуаціях»

Твій бал _________

«Я можу пояснити, чому одні рідини змочують поверхні, а інші – ні»

Твій бал _________

«Я бачу, як знання про фізичні властивості рідин може знадобитися в повсякденному житті»

Твій бал _________

«Після уроку мені стало цікаво дізнатись більше про властивості рідин і газів»

Твій бал _________

У вільний від відпочинку час

Дружня порада вчителю

Це завдання дає учням можливість поглибити розуміння явища поверхневого натягу в різних формах діяльності – практичній, теоретичній та пошуковій. Практичний дослід є простим у виконанні й демонструє ефект ПАР у побутових умовах. Теоретичне завдання розвиває навички наукового викладу думок і творчого мислення, а пошукове – стимулює роботу з інформаційними джерелами.

Таке диференційоване завдання враховує різні навчальні стилі учнів і сприяє формуванню дослідницьких компетентностей.

Завдання на вибір

Практичне: Виконати дослід із краплею води й мийним засобом. Описати спостереження.

Назва досліду: «Вплив мийного засобу на поверхневий натяг води»

Обладнання:

Тарілка або блюдце
Вода
Рідина для миття посуду або інший мийний засіб
Піпетка або ложка
Зубочистка, ватна паличка або сірник

Хід досліду:

Налийте невелику кількість чистої води в тарілку.
Акуратно капніть у центр краплю олії або кольорового барвника (для кращої видимості можна використати харчовий барвник).
Занурте зубочистку або паличку в мийний засіб.
Легенько торкніться поверхні води в центрі тарілки.

Спостереження:

Пояснення:

Теоретичне: Написати короткий твір на тему: «Явище, яке тримає комаху на воді»

Пошукове: Дослідити, яка рідина має найбільший коефіцієнт поверхневого натягу і чому (робота з медіа)

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 21. Теоретичний науковий метод

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

пояснюють фізичні властивості рідин та газів: густина, плинність, стисливість, в’язкість, температурне розширення та поверхневий натяг
проводять спостереження і роблять висновки щодо особливостей руху молекул у рідинах і газах
порівнюють властивості рідин і газів
застосовують знання для вирішення практичних завдань
критично оцінюють вплив фізичних властивостей середовища на природні явища і технічні процеси

Ключові слова:

густина
плинність
стисливість
в’язкість
теплове розширення
поверхневий натяг

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Густина, в’язкість та плинність
2.2. Стисливість рідин та газів
2.3. Поверхневий натяг і змочування рідин
2.4. Теплове розширення
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Проблемне питання

Чому крапля води тримає форму, а крапля спирту розтікається по поверхні?

Джерело: https://gemini.google.com/

Чому вода в тріщині скелі може зруйнувати камінь під час морозу?

Джерело: https://gemini.google.com/

Чому автомобільні гальма працюють саме на рідині, а не на газі?

Джерело: https://gemini.google.com/

Посилання на відео джерела:

https://youtu.be/KT0IvuzMsbs?feature=shared

Відео

https://youtu.be/0FV6VyTs6FI?feature=shared

Відео

https://youtu.be/rYrL8u7NjYE?feature=shared

Відео

https://youtu.be/VNLnO2dW–A?feature=shared

Відео

https://youtu.be/VNLnO2dW–A?feature=shared

Відео

https://youtu.be/IXFJOyE3Sqk?feature=shared

Відео

https://youtu.be/ZF4rBEU5Ocs

Відео

https://youtu.be/tLv4s-PLMp0?feature=shared

Відео

2. Теоретичний блок

2.1. Густина, в’язкість та плинність

Густина – це фізична величина, яка характеризує масу одиниці об’єму речовини:

(22) $\begin{equation*} \rho = \frac{m}{V} \end{equation*}$

де ρ – густина речовини, кг/м³, m – маса речовини, кг, V – об’єм, м³.

Таблиця 1 Густина деяких рідин і газів за нормальних умов (температура 20 ℃, тиск 1 атм)

Речовина	Густина, кг/м³
Рідини
Вода	998
Етанол (спирт)	789
Олія рослинна	900
Бензин	710
Гази
Повітря	1,29
Вуглекислий газ (CO₂)	1,98
Водень (H₂)	0,089
Кисень (O₂)	1,43
Азот (N₂)	1,25

Джерело: https://steiner-pumps.com/vyazkost-zhidkostej/

Таблиця 2 Приклади динамічної в’язкості при 20 ℃

Речовина	Динамічна в’язкість, Па⋅с
Вода	1,0×10^-3
Мед	2
Гліцерин	1,5
Повітря	1,8×10^-5

В’язкість і плинність взаємопов’язані – чим менша в’язкість речовини, тим вища її плинність:

(23) $\begin{equation*} \Phi = \frac{1}{\eta} \end{equation*}$

2.2. Стисливість рідин та газів

Стисливість – це здатність речовини змінювати свій об’єм під дією зовнішнього тиску (див. таблиця 3).

Рідини:

Мають дуже малу стисливість;
їх об’єм практично не змінюється навіть під великим тиском;

Гази:

Мають дуже велику стисливість;
легко змінюють об’єм при зміні тиску і температури.

Стисливість рідини характеризується коефіцієнтом об’ємного стиснення, який визначається за формулою:

(24) $\begin{equation*} \beta_V = -\frac{1}{V} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta p} \end{equation*}$

де V – початковий об’єм рідини, м³,

Величина K, обернена до V, називається модулем об’ємної пружності (або модулем всебічного тиску) рідини, Па^-1:

(25) $\begin{equation*} K = \frac{1}{\beta_v} \end{equation*}$

Таблиця 3 Стиснення рідин та газів

Речовина	V, Па	K, Па^-1
Вода	2,2×10⁹	4,5×10^-10
Повітря	1,0×10⁵	1,0×10^-5
Олія рослинна	1,5×10⁹	6,7×10^-10
Ртуть	2,8×10¹⁰	3,6×10^-11
Сталь	1,6×10¹¹	6,3×10^-12

2.3. Поверхневий натяг і змочування рідини

Це явище зумовлене міжмолекулярними силами притягання (когезією) між молекулами рідини.

Джерело: https://gemini.google.com/

(26) $\begin{equation*} \sigma = \frac{F_{\text{пов}}}{l} \end{equation*}$

де F_пов– сила поверхневого натягу, Н, l – довжина лінії, вздовж якої діє сила, м.

У системі SI коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в ньютонах на метр, – Н/м.

(27) $\begin{equation*} \sigma = \frac{W_{\text{пов}}}{\Delta S} \end{equation*}$

де W_пов – робота (поверхнева енергія), Дж, що потрібна для збільшення площі поверхні на ∆S, м².

Таблиця 4 Коефіцієнт поверхневого натягу при 20 °C

Рідина	Коефіцієнт поверхневого натягу σ, Н/м
Вода	0,0728
Ртуть	0,485
Спирт етиловий	0,0223
Бензин	0,028
Мило у воді	0,025-0,035

Рідина може змочувати, або не змочувати поверхню.

2.4. Теплове розширення

(28) $\begin{equation*} \beta = \frac{\Delta V}{V_0 \cdot \Delta T} \end{equation*}$

Таблиця 5 Коефіцієнт об’ємного розширення

Речовина	(°C^-1)
Вода	210×10^-6
Алюміній	72×10^-6
Мідь	51×10^-6
Повітря	3400×10^-6

3. Практичний блок

Завдання № 1

(Порівняння густини різних рідин)

Завдання № 2

(Дослід зі змочуванням)

Завдання № 3

(Дослід із поверхневим натягом води)

Питання:

Чому вода не переливалася одразу після заповнення колби?

Яке фізичне явище дозволяло утримувати воду в колбі понад край?

Що б змінилося, якби воду попередньо змочили мильним розчином?

Завдання № 4

(Обчисліть густину)

Маса 500 мл спирту складає 395 г. Обчисліть густину спирту.

Завдання № 5

(В’язкість і плинність)

Завдання № 6

(Стисливість рідини)Під час стиснення об’єм води зменшився на 2,5×10^-6 м³ під дією тиску 5×10⁶ Па. Початковий об’єм становив 0,01 м³. Знайдіть стисливість води.

Завдання № 7

(Поверхневий натяг)

Завдання № 8

(Теплове розширення)

4. Попрактикуймо самостійно

Рівень А

Покладіть шпильку на воду. Поясніть, чому вона не тоне.

Рівень В

Маса 300 мл рідини дорівнює 200 г. Обчисли її густину в г/мл та кг/м³.

Рівень С

5. Рефлексія

«5 балів»

Оціни від 1 до 5 балів тезиси:

«Я розумію, що таке поверхневий натяг і як він проявляється в різних ситуаціях»

Твій бал _________

«Я можу пояснити, чому одні рідини змочують поверхні, а інші – ні»

Твій бал _________

«Я бачу, як знання про фізичні властивості рідин може знадобитися в повсякденному житті»

Твій бал _________

«Після уроку мені стало цікаво дізнатись більше про властивості рідин і газів»

Твій бал _________

У вільний від відпочинку час

Завдання на вибір

Практичне: Виконати дослід із краплею води й мийним засобом. Описати спостереження.

Назва досліду: «Вплив мийного засобу на поверхневий натяг води»

Обладнання:

Тарілка або блюдце
Вода
Рідина для миття посуду або інший мийний засіб
Піпетка або ложка
Зубочистка, ватна паличка або сірник

Хід досліду:

Налийте невелику кількість чистої води в тарілку.
Акуратно капніть у центр краплю олії або кольорового барвника (для кращої видимості можна використати харчовий барвник).
Занурте зубочистку або паличку в мийний засіб.
Легенько торкніться поверхні води в центрі тарілки.

Спостереження:

Пояснення:

Теоретичне: Написати короткий твір на тему: «Явище, яке тримає комаху на воді»

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пошукове: Дослідити, яка рідина має найбільший коефіцієнт поверхневого натягу і чому (робота з медіа)

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе