На чтение: ≈ 17 мин.Приборы, оборудование и материалы: Образцы кристаллов и аморфных веществ. Модели кристаллических решеток алмаза, меди, графита, железа, поваренной соли. Лед, вода в пробирках, калориметры, спиртовки, спички, свеча, соль в пробирках, термометры. Магнитная доска, тексты выводов. лакаты: извержение вулкана, схемы образования месторождений кристаллов (минералов). Фотоснимки природы в разное время года, сталактитов и сталагмитов, поэтические тексты, магнитофонные записи. Конверты с заданиями, карточки-задания (качественные задачи).
Вступительное слово учителя:
Поет зима – аукает,
Мохнатый лес баюкает
Стозвоном сосняка.
Кругом с тоской глубокою
Плывут в страну далекую
Седые облака.
Смена времени года… Огромный и прекрасный макромир. А что же происходит в это время в микромире? Какой главный фактор создает неповторимую красоту каждого времени года и влияет на их смену? (Конверт с заданием № 1. Обсуждение в группе).
Задание №1 (актуализация знаний)
– Какой главный фактор влияет на смену времен года?
– Какое вещество, изменяя свое состояние, преображает окружающую природу?
– Как изменяется энергетическое состояние этого вещества?
– Какую энергию называют внутренней?
– В каких состояниях может находиться вещество?
При котором из этих состояний внутренняя энергия имеет наименьшее значение?
Вывод (помещается на магнитной доске): Вещество может находиться в трех состояниях. Из них твердому состоянию соответствует наименьшее значение внутренней энергии.
Итак, мир твердых тел – это мир кристаллов и аморфных тел, мир порядка и беспорядка. Они едины в том, что обладают прочностью, твердостью, хрупкостью. Однако аморфные вещества текучи, и с течением времени не сохраняют форму. Частицы у них расположены хоть и достаточно плотно, но с нарушением порядка. А отсутствие порядка в расположении молекул (или атомов) не рождает красоты, которая присуща кристаллическим веществам (на плакатах – изображения кристаллов).
Удивительный мир кристаллов привлекает красотой и совершенством геометрических форм многогранников. Свет, отражаясь от граней, вызывает блеск и сверкание при малейшем повороте. Но правильность внешней огранки – необязательное свойство кристаллов.
Главное – то, что их внутреннее строение подчиняется строгим законам симметрии: атомы (или молекулы) расположены в строго определенном порядке. Для каждого вещества этот порядок свой. (Демонстрация моделей различных кристаллических решеток). Изменение порядка влечет изменение свойств вещества (пример – кристаллические решетки графита и алмаза).
Кристаллы делятся на моно- и поликристаллы. В каждом кристаллике поликристалла молекулы соблюдают строгий порядок расположения. (Работа с раздаточным материалом: рассмотреть с помощью линз строение поликристалла, выделив зрительно монокристаллы). Мы убедились, что порядок рождает красоту. Вспомним строки (на фоне музыки):
На окне, серебряном от инея,
За ночь хризантемы расцвели…
Красота морозных узоров на стеклах, красота снежинок…
Серебро, огни и блестки,
Целый мир из серебра,
В жемчугах горят березки
Черно-голые вчера.
Это область чьей-то грезы
Это призраки и сны!
Все предметы старой прозы
Волшебством озарены…
(В. Брюсов).
Еще в 1611 году было высказано предположение о том, что красота формы снежинок – следствие правильного упорядоченного расположения молекул. Знание законов упорядочения дает ключ к пониманию тайн жизни.
Где и как образуются кристаллы в природе?
Вот одна удивительная история. Восемьсот лет назад в Германии случилась трагедия: огромные глыбы завалили рудную жилу. Шахту пришлось забросить. Вспомнили о ней спустя 200 лет. Разобрали древний завал и под пластами рухнувших горных пород нашли… окаменевшего человека! Это был рудокоп, погребенный обвалом: тело его теперь состояло из сверкающих золотистых кристалликов железного колчедана – пирита. (Демонстрация пирита). Лучшие ученые того времени лишь качали головами, не зная, как объяснить происхождение этого чуда. Человек превратился в тяжелый рудный минерал! «Железный рудокоп»! Значит, рудные минералы растут?! И к тому же довольно быстро. С чего начинается их жизнь? И вообще, может ли жить и расти холодный мертвый камень?
(Последующее изложение идет на фоне музыки).
В непроглядной темноте пещер из трещин в каменном своде тысячи лет падают капли. В каждой капельке воды растворены частицы различных химических элементов и их солей. И слой за слоем зарождается на потолке пещеры каменная сосулька… Вначале тоненькая и хрупкая, она растет, тяжелеет. Это сталактит. (Демонстрация плаката, объемной модели).
А навстречу с пола пещеры поднимается это отражение – сталагмит, натек из капель на дне пещеры. Постепенно они сливаются в единую колонну. Цвет их зависит от химического состава – канареечно-желтый, оранжевый, красный, зеленый, снежно-белый.
Возникает фантастическое царство! Колонны сталактитов – в бахроме ледяных кристаллов: свисают с потолка невиданные цветы и листья, длинные ледяные иглы. И все это вспыхивает, сверкает и переливается в лучах падающего света факелов. В глубинах земли из перегретых рассолов растут кристаллы горного хрусталя, отлагаются руды различных металлов.
Люди научились создавать драгоценные кристаллы в лабораторных установках. Пример – фианиты, искусственные алмазы, самоцветы, не уступающие по красоте природным.
Правда, для этого потребовалось создать особые условия – огромные температуры, колоссальное давление…
Да, кристаллы рождаются и в естественной, и в искусственной среде.
А как они умирают?
Тают снежинки у нас на ладонях, «плачут» и исчезают сосульки… Но ведь лед – это тоже минерал, кристаллическое вещество, только очень легкоплавкое.
Вы знаете, что при нормальном атмосферном давлении лед не может существовать при t0 выше 00С – тает. А физики говорят «плавится», т.е. переходит из твердого состояния в жидкое.
Определение (помещается на магнитной доске): Температура, при которой кристаллическое вещество переходит из твердого состояния в жидкое, называется точкой плавления, а сам процесс – плавлением.
А сейчас закроем глаза, прислушаемся и постараемся прочувствовать эти строки (на фоне музыки):
Здесь у яра, в еловой чаще,
В ослепительной пойме реки,
Воздух, так ощутимо пьянящий,
Ручейкам развязал языки.
Зародившись на склоне
прогретом,
Ручейки одолели сугроб,
И теперь, вероятно, об этом
Спящей речке лопочут взахлеб.
(В. Горшков).
Думаю, теперь вы готовы к эксперименту «Весна на столе».
Задание №2 (в конверте).
Самостоятельно исследуйте процесс плавления льда и сделайте выводы по поставленным в задании вопросам.
1. Какое главное условие необходимо для процесса плавления льда (и вообще любого вещества)? Почему лед не сразу начал плавиться?
2. Как ведет себя лед (кристаллическое вещество) в процессе плавления: размягчаясь постепенно или одновременно существуя в двух состояниях – твердом и жидком?
3. Изменяется ли температура окружающей среды при плавлении льда?
4. Плавает ли кусок льда в воде? О чем это говорит? Как изменяется объем воды при замерзании?
Выводы (размещаются на магнитной доске, после того как их сделают учащиеся): 1) Процесс плавления требует притока энергии к плавящемуся веществу. 2) Плавление кристаллического вещества происходит при неизменной температуре, называемой точкой плавления.
После второго вывода – работа с учебником: ознакомление с таблицей температур плавления различных кристаллических веществ. Используя таблицу, дети решают задачи, обращаясь при этом к выводам на доске.
1. Что произойдет с ртутью, если вылить ее в жидкий азот?
2. Что произойдет со свинцом, если его бросить в жидкое олово, находящееся при t0 плавления?
3. Какова t0 лужи, в которой плавает лед?
4. В каком агрегатном состоянии при нормальном давлении и t0 = 10000С находятся золото, медь, алюминий, платина?
Задание №3 (практическое).
1. Всыпать соль в сосуд со льдом.
2. Пробирку с водой опустить в смесь льда и соли и размешивать до тех пор, пока в пробирке не начнет замерзать.
3. Опустить термометр в замерзающую воду и измерить t0 воды, начинающей замерзать (кристаллизоваться).
Вывод: Кристаллические вещества кристаллизуются при той же температуре, при которой плавятся.
На основании сделанных выводов построим график процессов, происходящих в калориметре. (Каждый этап детально объясняется).
1-й этап
Какой процесс наблюдается в самом начале, когда t0 льда -100С? Как этот процесс изобразить графически?
2-й этап
1. Что вы наблюдаете при достижении t0 = 00С?
2. Изменялась ли температура смеси в процессе плавления льда?
3. Как это изобразить графически?
3-й этап
1. Что будет происходить с водой, когда весь лед растает?
2. Как это изобразить на графике?
3. Будет ли эта прямая параллельна первой? Почему?
Ход рассуждений при решении проблемы
I шаг. Температура в процессе плавления не меняется => скорость молекул не меняется => их критическая энергия остается неизменной.
II шаг. Но энергия поглощается… => она расходуется на разрушение порядка, т.е. на преодоление сил молекулярного притяжения – молекулярных связей (демонстрация кристаллической решетки – разрушение связей) => опотенциальная энергия молекул увеличивается.
Вывод: Внутренняя энергия кристалла возрастает.
А теперь мысленно повернем течение времени обратно – пройдем путь по графику с конца. Вместо нагревания жидкости – остывание, вместо плавления – отвердевание (кристаллизация), а затем остывание вещества в твердом состоянии. Получили зеркальное симметричное отражение процесса (разворачивается график 2). И вместо весны мы вернулись в позднюю осень, когда на стеклах замерзают капли дождя…
Она жила и по стеклу текла.
И вдруг ее морозом оковало.
И неподвижной льдинкой капля стала.
И в мире поубавилось тепла.
Прав ли поэт? Унесла ли капелька с собой тепло, замерзая?
Обратимся ко второй части графика, построенной по законам симметрии относительно первой: если в процессах 1, 2, 3 энергия поглощалась (причем во 2-м – на разрушение порядка), то в процессах 4, 5, 6 – энергия выделяется! В пятой части графика за счет выделяющейся энергии при восстановлении порядка температура в процессе кристаллизации оставалась постоянной, несмотря на огромные потери энергии, излучаемой в пространство!
Вывод учащихся:
Капелька, замерзая и кристаллизуясь, не унесла, а отдала свое тепло. (На магнитной доске, на плоскости графика помещаются выводы и иллюстрации).
Общий вывод: При кристаллизации энергия выделяется (пример со снегопадом, с микроклиматом вблизи больших замерзающих водоемов).
Обобщение:
Итак, в нашем сегодняшнем путешествии в микромир и окружающий нас мир природы мы установили следующее факты… (Дети обращаются к результатам экспериментов, используют построенный график.)
I. Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.
II. Существует температура, выше которой вещество не может находиться в твердом состоянии. У каждого вещества эта температура своя собственная – температура плавления (таблицы).
III. Кристаллизация происходит при той же температуре, что и плавление.
IV. Процесс плавления требует притока энергии к плавящемуся веществу, при этом внутренняя энергия возрастает (разрушение порядка).
V. Кристаллизация происходит с выделением энергии, так как внутренняя энергия уменьшается (восстановление порядка).
А теперь откроем конверты с заданиями и обсудим их решение в группе после самостоятельной проработки (у каждого вариант свой).
(Выборочно разбирается 2-3 задачи. Остальные – на дом).
Домашнее задание определяют по учебнику. Желающие могут написать сказку про молекулу вещества, изменяющего свое агрегатное состояние: «Жила-была молекула…»
Дополнительные вопросы:
Что объединяет красоту кристаллического вещества (агата) и красоту зимнего пейзажа с точки зрения поведения молекул и энергетического состояния вещества? Указать условия, при которых это очарование существует, что может его нарушить.
Одинаковые ли жизненные истории расскажут молекулы сталактитов и сталагмитов из пещер и молекулы скал из заповедника «Столбы»? Что расскажут молекулы скал? У кого из них «биография» богаче событиями? (При составлении истории жизни этих молекул пользоваться терминами физики и выводами, сделанными на уроке о процессах изменения агрегатных состояний вещества).
Какие, очень похожие истории из своей жизни, могут рассказать друг другу молекулы ледяных сосулек? (При этом использовать терминологию физики и выводы, сделанные на уроке).
Галина ТРЕГУБОВА, учитель физики санаторной школы-интерната №1, Ачинск, Красноярский край
Выбор читателей
Комментарии