ТЕМА. ЗМОЧУВАННЯ. КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА.
МЕТА. Засвоїти поняття змочування і капілярності, з’ясувати їх закономірності; показати практичне значення цих явищ;
Розвивати: мислення, вміння спостерігати і самостійно робити висновки та проводити експеримент за планом;
Виховувати: вміння вести діалог і слухати інших.
ТИП УРОКУ: Вивчення нових знань.
Обладнання. Мультимедійні засоби навчання, ППЗ «Фізика 10», обладнання і матеріали (серветки, папір, тканини по 3 різних кожного) для дослідів у групах, листи-оцінювання, які заповнюються секретарями груп.
Хід уроку.
І. Повідомлення теми, мети уроку. (слайд 1)
Поставте питання до теми уроку. (Учні ставлять запитання до теми, вчитель записує їх на дошці. Запитання типу: що таке змочування? Де спостерігається? Які явища називають капілярними? Корисне чи шкідливе змочування? І т. д. На основі цих запитань озвучується завдання уроку і очікувані результати, і до цих запитань повертаємось в кінці уроку, при підведенні підсумків уроку.)
ІІ. Актуалізація опорних знань.
З чим у вас асоціюється поняття змочування?
….. ….. капілярність?
Де ви зустрічалися з цими поняттями?
ІІІ. Мотивація.
Постійно руки й одяг в крейді,
Невже ніяк не підсобить,
Ми вивчимо тему капілярність,
Щоб виглядати як пані «Охайність»
Мабуть кожен з вас стикався з проблемою жирних плям. Чи легко їх позбутися? Ви ще кип’ятите?
Тоді ми йдемо до вас!
ІV. Вивчення нового матеріалу. (пояснення вчителя з елементами бесіди)
Змочування. (слайди 2-3)
Перегляд досліду
Одні і ті ж речовини, але ведуть себе по-різному в залежності від поверхні, на якій вони знаходяться.
Змочуючи рідина – розтікається по твердому тілу.
Незмочуваність – рідина збирається в краплі, внаслідок міжмолекулярного притягання.
Як пояснити на основі МКТ?
Спостерігаємо дослід 2 і дослід 3. (слайд 4)
Чим відрізняються результати досліду?
Чи легко відірвати молекули води з посудини?
А молекули ртуті?
Який висновок? (слайд 5)
Змочується – Зчеплення між молекулами рідини і твердого тіла сильніше за притягання між частинками рідини
Незмочуваність - Взаємне притягання молекул рідини більше, ніж притягання молекул рідини до твердого тіла
2. Капілярні явища. (Слайд 6-8)
Змочування чи незмочування рідиною стінок посудини впливає на форму її вільної поверхні. Якщо велика кількість рідини налита в широку посудину, то форма поверхні горизонтальна внаслідок дії сили тяжіння. Але біля країв посудини зазнає викривлень. Змочуюча – піднімається, а незмочуюча – опускається. Викривлену поверхню називають – меніском. Добре помітно меніск у капілярних трубках.
Вода в капілярах піднімається завдяки надмірному тиску, який виникає внаслідок поверхневого натягу.
Тиск під увігнутою поверхнею менший, а під опуклою – більший за тиск на рівні плоскої поверхні.
Ф ормула за якою визначається величина додаткового тиску виведена Лапласом:
 
3. Фронтальний експеримент (слайд 9)
Налийте в капілярні трубки води.
Спостерігаємо результат.
Чому рівень рідини різний?
Спостерігаємо досліди. (слайд 10-11)
Які закономірності ви помітили?
Висоту підняття рідини в капілярах обчислюємо за законом Жарена
4. Робота в групах. (слайд 12)
За отриманими завданнями проведіть досліди, виконайте обчислення, зробіть висновки. (додаток 1 - завдання, додаток 2- інструкція до виконання)
5. Виступи доповідачів.
6. Застосування капілярних явищ. (повідомлення учнів) (слайди 13-18)
V. Закріплення.
Якісні задачі (Ланцюжок)
Чи легко позбутися жирної плями?
Які способи вам відомі?
Як їх пояснити на основі фізичних знань? (Свіжі невеликі плями жиру видаляють за допомогою праски і паперу.)
Які ж поради ви дасте всім тим, хто полюбляє працювати з крейдою? (Крейду обгорнути папером, а краще тонкою плівкою (просочити молоком)).
Чому шматочок цукру, покладений на мокрий стіл, незабаром весь просочується водою? (за рахунок великої кількості капілярів)
Чому розтікається чорнило на папері поганої якості? (в такому папері багато капілярів)
VI. Узагальнення систематизація знань.
Повторення вивченого за питаннями, які самі ж учні ставили на початку уроку.
VII. Підсумки уроку.
Що нового дізналися?
Де знайдете застосування отриманим знанням в повсякденному житті?
Д/з. І рівень: Вивчити § 23
ІІ рівень: + Впр. 6 (1)
ІІІ рівень: + скласти кросворд або ребус
ІV рівень: + підготувати повідомлення
або написати фантастичний твір “Кудись поділись капіляри і як без них тепер нам бути”
Додаток 1.
ЗАВДАННЯ ГРУПІ №1
1. Визначити діаметр капілярів різних паперових серветок.
2. Порівняти обчислені значення діаметрів.
3. В якому із зразків діаметр найменший?
4. Який висновок можна зробити стосовно якості даного виду паперу?
ЗАВДАННЯ ГРУПІ №2
1. Визначити діаметр капілярів різного виду паперу (фільтрувальний, газетний, учнівський).
2. Порівняти обчислені значення діаметрів.
3. В якому із зразків діаметр найменший?
4. Який висновок можна зробити стосовно якості даного виду паперу?
ЗАВДАННЯ ГРУПІ №3
1. Визначити діаметр капілярів різного виду тканин.
2. Порівняти обчислені значення діаметрів.
3. В якому із зразків діаметр найменший?
4. Який висновок можна зробити стосовно можливості вбирання вологи даним видом тканини?
ЗАВДАННЯ ГРУПІ №4
1. З’ясувати, які з представлених зразків змочуються водою, а які ні?
Чому?
2. Визначити, який з паперів краще вбирає вологу, без обчислення діаметра капіляра.
3. Проаналізувати фарби капілярним методом.
4. Який висновок можна зробити.
Додаток 2.
Дослідити капілярні властивості серветок (паперу, тканини).
В даний час випускається багато видів серветок: одношарова, двошарова, гладка, перфорована, витиснена, кольорова і т.д. Виробники і продавці рекламують свій товар як тільки можуть, у тому числі і по телевізору. Але, на жаль, не завжди зміст реклами відповідає дійсності. Красиві епітети «легка, як пір'їнка» або «ніжна, немов оксамит» ні про що конкретне не говорять. Тому цікаво було б перевірити якість паперу в лабораторних експериментах.
Як відомо, змочуючі рідини по капілярах піднімаються, долаючи силу тяжіння, на висоту
 , де
σ – коефіцієнт поверхневого натягу рідини,
ρ– густина води,
g – прискорення вільного падіння,
d – діаметр капіляра.
Чим тонший капіляр, тим висота підняття більша. На висоту впливають також густина рідини і її коефіцієнт поверхневого натягу. Важливо, що якщо капіляр нахилений до поверхні рідини, то висота підняття рідини від величини кута нахилу не залежить. Висота підняття рідини залежатиме тільки від σ, d, і g.
ВИКОНАННЯ ДОСЛІДУ
1. Відрізки серветок підвішуються до горизонтального стержня, закріпленого на штативі так, щоб нижній кінець злегка доторкався дна кювети. Коли ви наллєте в кювети воду шаром товщиною приблизно 1 см, нижні кінці стрічок повинні зануритися, якщо ж вони спливуть, притопіть їх.
Установка з трьома зразками
2. Після закінчення часу намокання паперу необхідно виміряти висоту підняття води в кожному зразку: h1, h2, h3.
3. За формулою потрібно розрахувати величину середнього діаметру капілярів для кожного зразка.
Прискорення вільного падіння краще прийняти g = 9,8 м/с2 , σ = 61мН/м, ρ = 1000 кг/м3 .
4. Зробити висновки, щодо якості паперу, порівнявши знайдені значення d1 , d2, d3.
Додаток 3: повідомлення учнів про змочування і капілярність
Молох
 Нові дослідження проливають світло на особливий спосіб боротьби із спрагою, яким з успіхом користуються деякі мешканці пустелі. Як з'ясовується, певні види ящірок мають мережу крихітних каналів під лускою, які дозволяють «відсмоктувати» воду з поверхні землі під час дощу і направляти її до рота тварини, пише ScienceNow.com.
Дослідники звернули увагу на молоха (Moloch horridus) порівняно давно - на початку минулого століття. Несподіваною «славою» він зобов'язаний, головним чином, своєму демонічному зовнішньому вигляду. Мабуть, дослідники, що описали цього ящера, знайшли в її образі якусь схожість з фінікійським всепожираючим божеством.
Довгий час ідея того, що молох і деякі інші пустинні ящірки можуть збирати дощову воду шкірою, обговорювалася в наукових кругах, проте підтверджень цьому не знаходилося.
Спостереження, зроблені натуралістами, показали, що молох любить тертися черевцем об вологий пісок відразу після випадання опадів. «Спочатку ми думали, що подібно до жаб і іншим земноводним, вони поглинають воду безпосередньо через шкіру, - говорить біолог Вайд Шербрук. - Але, виявилось, що шкіра цих дивовижних рептилій не тільки пропускає воду, але і зберігає її».
Цей спосіб дозволяє рептиліям вижити. Амфібії ж, не маючи подібних механізмів, не захищені від пекучого сонця, тому в пустелі їх не зустрінеш.
Згідно новому дослідженню, опублікованому журналом Zoomorphology, під лускою ящірок розташована мережа капілярів, яка забезпечує їх водою. Капіляри невеликі - розмір рівний діаметру людського волоса. Капілярні сили дозволяють воді досягати куточків рота молоха, повідомляють дослідники.
Подібну «водопровідну систему» дослідники виявили і у іншого вигляду - техаських рогатих ящірок (Phrynosoma cornutum). Цікаво, що цей механізм не зустрічається у семи споріднених видів рептилій.
«Це цікаве відкриття, - заявив Керт Швенк, еволюційний біолог з університету штату Коннектікут, - воно додає нові дані про адаптації до посушливого клімату і описує механізм роботи системи транспортування води».
Зараз перед ученими постало питання, як ця унікальна «водопровідна система» зберігає воду.
Серветки з матеріалу спанлейс
 В даний час для виробництва медичного одягу і білизни одноразового використання набув широкого поширення нетканий матеріал Спанбонд, що виготовляється з поліпропілену. Але технології не стоять на місці і на його місце приходить матеріал нового покоління Спанлейс (на основі віскози і поліефіру). Продукція з нього схожа з виробами з натуральних матеріалів, але володіє комплексом додаткових властивостей, наприклад, здатністю пропускати повітря і відштовхувати воду або навпаки, добре її вбирати - залежно від призначення виробу.
Серветки з матеріалу Спанлейс мають ряд переваг, а саме безворсова структура, високий ступінь вбираності, антистатичність, нетоксичність. Використання цього матеріалу дозволяє уникнути алергічних реакцій при контакті з шкірою і слизовою оболонкою.
Паяти із знанням справи. Паяння можливе тільки в тому випадку, якщо припой змочує деталі, що сполучаються. Це відбувається, якщо сили тяжіння між атомами припою і металу більше, ніж між атомами усередині самого припою. Якщо крапля припою не змочує поверхню, то вона не здатна затікати у вузькі зазори між матеріалами, що сполучаються. За наявності забруднень поверхонь, що сполучаються, адгезія припою погіршується і можуть утворюватися незмочувані зони, що знижує якість паяння. Для усунення плівки оксидів з поверхонь металів і зменшення сил поверхневого натягу розплавленого припою на межі метал–припой служать спеціальні матеріали – флюси. У електротехніці і радіосправі найширше застосовуються флюси на основі каніфолі.
Змочуваність залежить від мікроструктури поверхні: ефект лотоса. Лотос - одна з прекрасних водних рослин на наший планеті. Його квітки не тільки дивовижно красиві, але і чисті, навіть якщо вода навколо каламутна і брудна. Листя і квітки не змочуються водою, тому краплі води скачуються з них, як кульки ртуті, змиваючи всю грязь. Навіть краплям клеївши і меду не вдається утриматися на поверхні листя лотоса. До речі, такими ж унікальними властивостями володіє листя не тільки лотоса, але і багатьох інших рослин, зокрема, звичайної капусти.
Виявилось, що вся поверхня листя лотоса густо покрита мікропупиришками висотою близько 10 мкм, а самі пупиришки, у свою чергу, покриті мікроворсинками ще меншого розміру
Дослідження показали, що всі ці мікропупиришки і мікроворсинки «зроблені» з воску, як і поверхня багатьох рослин. Відомо, що віск погано змочується водою, але одна тільки наявність воску на поверхні листя лотоса не може пояснити, чому відповідний краєвий кут складає більше 160°, тоді як для листя магнолії, які теж покриті воском, краєвий кут рівний лише 54°. Значить, саме пупирчаста структура поверхні листя лотоса значно зменшує їх змочуваність, в три (!) рази збільшуючи відповідний краєвий кут. І ось чому.
Крапля води, потрапивши на поверхню листа лотоса, схожу на масажну щітку, не проникає між мікропупиришками, оскільки цьому заважає великий поверхневий натяг рідини. Адже для того, щоб проникнути між мікропупиришками, краплі треба збільшити свою поверхню, а це енергетично невигідно. Тому крапля «парить на пуантах», між якими знаходяться бульбашки повітря, а це значно зменшує силу адгезії між краплею і поверхнею листа. Значить, краплі вже невигідно розтікатися і змочувати «колючу» поверхню, і вона згортається в кульку, демонструючи дуже високий краєвий кут, як це зображено на малюнку.
Поверхня, аналогічна масажній мікрощітці, зменшує адгезію (прилипання) не тільки крапель води, але і будь-яких частинок розміром більше 10 мкм, оскільки вони дотикається такої поверхні лише в декількох точках. Тому частинки грязі, що опинилися на поверхні лотоса, або самі звалюються з нього, або захоплюються краплями води, що скачуються, адгезія до яких у них значно більше, чим до колючої поверхні листа. Таке самоочищення називають ефектом лотоса. Схоже влаштована поверхня крил метеликів і багатьох інших комах, для яких захист від надмірної води життєво необхідний: намокнувши, вони втрачають здатність літати.
Вивідавши у природи секрети, учені змогли створити штучні покриття, здатні самоочищатися. Ефект лотоса використовується для створення водовідштовхувальних покриттів, які самоочищаються, і фарб. Розробляється вітрове скло, яке самоочищається, зовнішня поверхня якого покрита мікроворсинками. На такому склі «двірникам» робити нічого. Зовсім скоро з'являться постійно чисті автомобільні колісні диски, а вже зараз можна пофарбувати зовні будинок фарбою, до якої грязь не прилипає. У таких технологій велике майбутнє.
Значення змочуваності в багатьох технологічних процесах, явищах живої і неживої природи і в побуті важко переоцінити. Хороше змочування необхідне при пранні, фарбуванні, склеюванні, паянні, створенні гідроізоляційних матеріалів і т.д. На явищі змочування заснована флотація – один з основних методів збагачення мінеральних руд, – а також багато інших технологічних процесів. Ефективними регуляторами змочування є поверхнево-активні речовини.
Автомобільний фільтр
Автомобільний масляний фільтр складається з фільтруючого елементу, зворотного і перепускного клапана, об'єднаних в одному корпусі. Найчастіше як фільтруючий елемент застосовується спеціальний картон з особливим просоченням, який укладається гофрами в багатопроменеву зірку, закриту з торців. Від якості тієї, що приклеїла картону до фланців залежить ступінь фільтрації. Якщо проклеювання не суцільне, то неочищене масло потраплятиме до деталей двигуна, прискорюючи їх знос. Коли клейовий шов слабкий, то тиском масла може його пошкодити, і знову ж таки неочищене масло потраплятиме в систему мастила. Укладання фільтрувального картону в зірку застосовується для збільшення робочої поверхні: чим більше площа фільтруючої штори, тим довше працюватиме фільтр. Поширена думка, що численні виробники фільтрів використовують однаковий картон, просочуючи його фірмовими складами.
При повному засміченні фільтрувального картону продуктами окислення і зносу двигун може взагалі залишитися без мастила. На цей випадок у фільтрі передбачається перепускний клапан, проникний неочищене масло в систему мастила. Цей же клапан допоможе у разі застосування дуже густого масла або його застигання при низькій температурі, коли воно не в змозі пройти через фільтр.
Зворотний клапан у фільтрі передбачений для запобігання стіканню масла з системи мастила, щоб після пуску двигуна тиск в ній швидше досягав робочого значення. Про якість роботи зворотного клапана можна судити по тому, як швидко гасне індикатор аварійного тиску масла на панелі приладів (масельничка) після пуску двигуна. Вважається, що якщо масельничка горить менше семи секунд, то все в нормі. Ідеально, коли вона гасне відразу після пуску двигуна.
ЩО ТАКЕ КАПІЛЯРИ?
Існують самі різні великі дороги і шосе між великими містами, що дозволяє доставляти в них продукти і інші необхідні речі. Але як бути з невеликими містечками і маленькими селами? Адже їм теж потрібні продукти і інші запаси.
Вузькі дороги і путівці, які сполучають невеликі міста і села, нагадують капіляри в тілі людини. Як ми знаємо, кров виштовхується серцем у всі частини тіла, а великі судини, по яких вона тече, називаються артеріями. Але на віддалі від серця у всіх частинах тіла ці великі судини стають крихітними, схожими на волосок судинами, які називаються капілярами.
Капіляр в 50 разів тонший за найтоншу людську волосину! Середній діаметр капіляра складає приблизно 0,008 мм. Він настільки вузький, що кров'яні тільця проходять по ньому поодинці і це
приводить до того, що кров проходить по капілярах дуже поволі.
На місці, займаному шпилькою, може поміститися близько 700 капілярів. Оскільки призначення капілярів полягає в тому, щоб розносити різні речовини по всьому організму і забирати їх, то ви можете уявити, що в тілі у людини є незліченна безліч капілярів.
Що відбувається, коли кров приблизно одну секунду проходить через один капіляр? Кров не покидає капіляра. Але стінка у цього капіляра дуже тонка і складається лише з одного шару клітин. Через цю стінку кров виділяє свій кисень в прилеглі тканини. Натомість вона вбирає двоокис вуглецю, який віддають навколишні тканини.
Одночасно інші речовини, які забезпечують живлення, для тканин поступають з крові, а продукти розпаду потрапляють в капіляри. У результаті кров і речовини, які вона з собою несе, повертаються по венах.
КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА НА БУДІВНИЦТВІ
Для виключення явища капілярного підняття води з фундаменту далі вгору по стіні, у всіх будівлях і спорудах передбачається горизонтальна гідроізоляція між фундаментом і стіною.
Відсутність такої гідроізоляції - або помилка будівельників, або - руйнування гідроізоляції за довгий період експлуатації будівлі. Останнє характерний для старих споруд, зокрема, пам'ятників архітектури минулих століть. Необхідність нової горизонтальної гідроізоляції може виникнути також при зміні гідрогеологічних умов, наприклад, при піднятті рівня ґрунтових вод.
У всіх випадках в результаті капілярного просочування волога піднімається по фундаменту або стінах підвалу на рівень першого поверху.
Найрадикальніший спосіб “лікування” в такій ситуації - суцільна горизонтальна гідроізоляція шляхом блокування капілярів в матеріалі. Це досягається нагнітанням в пори матеріалу низьков'язкого полімерного продукту в суміші з затвердіваючим компонентом. Суміш, що нагнітається, затвердіває в порах, утворюючи водонепроникний шар в стіні або фундаменті на заданому рівні.
Для ін'єкції застосовуються 2-х компонентні насоси, в яких остаточне змішування сировинних матеріалів відбувається безпосередньо перед ін'єкцією.
У разі, коли необхідно зупинити капілярне підняття , але при цьому зберегти повітро- і паро- проникність ізольованої ділянки стіни, застосовується просочення матеріалу гідрофобізуючими складами. Володіючи дуже низькою в'язкістю, розчин проникає в найтонші пори. При випаровуванні розчинника відбувається адсорбція метилсиліконатів на поверхню цементних пір. Полярна частина молекул зчіплюється з цементним каменем, а органічна - виявляється на поверхні пір, додаючи їй гідрофобні (водовідштовхувальні) властивості. В результаті, матеріал виявляється не здатний поглинати і передавати краплинно-рідку вологу. Але при цьому пори залишаються відкритими, повітро- і паропроникність цегляної кладки зберігається і стіна поступово висихає.
Щоб стіни будівлі швидше висихали застосовується спеціальна штукатурка, що висушує, яка наноситься на стіни приміщення і видаляє з них вологу, не заважаючи нормальної експлуатації цих приміщень. Ефективність даної штукатурки полягає в тому, що вона через свої капіляри відводить в атмосферу надлишок вологи, накопиченої в стіні.
При подальшій, так званій «фінішній» обробці, такі стіни повинні оброблятися матеріалами, що дають стіні «дихати», тобто що не перешкоджають поступовому випаровуванню вологи.
Література.
С. У. Гончаренко Фізика 10 клас Посібник для ліцеїв та класів природничо-наукового профілю, К., - «Освіта», 1995
А. С. Кривошея Поясни Узнай Зроби сам, «Радянська школа», 1969
Е. А. Безденежных, И. С. Брикман Физика в живой природе и медицине, «Рад. школа», 1976
Л. В. Тарасов Физика в природе, М., «Просвещение», 1988
http://www.nkj.ru
-
http://www.elkin52.narod.ru/ 
Совгира С. М.
Черкаська спеціалізована школа №33
|