ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ. РОЛЬ ИСПАРЕНИЯ В ПРИРОДЕ, В ЖИЗНИ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА - 8 класс

Интеграция предметов: физика — биология.

Пояснительная записка:

1. Цель: раскрытие основных научных положений изучаемой темы во взаимосвязи с природой и жизнедеятельностью человека.

2. Задачи: ознакомление учащихся с элементами экспериментального метода исследования явления; раскрытие роли испарения в природе и жизнедеятельности человека.

3. Учитель физики объясняет тему урока через проблемные вопросы и физический эксперимент.

4. Учитель биологии делает два сообщения.

5. Учителя организуют решение расчетных и качественных задач с биологическим содержанием.

6. В конце урока дается практическое домашнее задание.

7. На уроке понадобятся: эпидиаскоп, экран; набор склянок с различной жидкостью (эфир, спирт, вода, подсолнечное масло); спиртовка, кисточка, колба; пипетка, стекло, резиновая трубка; вентилятор, термометр, вата; кристаллы йода в пробирке, жидкостный манометр.

Ход урока

Учитель физики. По природоведению вы изучали круговорот воды в природе. Давайте вспомним (показ рис. 1 через эпидиаскоп).

Рис. 1

С поверхности океанов, морей, рек и суши вода под действием солнечного тепла испаряется и поднимается вверх в виде невидимого пара.

Так что называется испарением?

Ученики. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Учитель физики. В воздухе водяной пар охлаждается, превращается в мельчайшие капельки воды. Из них образуются облака. Так что называется конденсацией?

Ученики. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Учитель физики. Вытертая мокрой тряпкой школьная доска быстро высыхает — вода превращается в пар. Точно так же высыхают полы после мытья, мокрое белье, чернила, которыми вы только что написали на бумаге.

Каков же механизм испарения? Иначе, почему жидкости испаряются?

Молекулы жидкости непрерывно движутся с разными скоростями. Если какая-нибудь «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют над нею пар. Пар — газообразное состояние вещества.

Почему же жидкости испаряются постепенно?

В первую очередь переходят в пар быстрые молекулы. У оставшихся молекул жидкости при соударении с другими молекулами меняется скорость. Некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы оказаться у поверхности и вылететь из жидкости.

При любой ли температуре испаряются жидкости?

Жидкости могут испаряться при любой температуре. Наблюдение за природой подтверждает это. Например, лужи, образовавшиеся после дождя, высыхают и летом в жару, и осенью, когда уже холодно. Почему? Потому что при любой температуре в жидкости есть быстрые молекулы.

Зависит ли испарение от температуры жидкости и как? Для выяснения этого проведем опыт.

Опыт I

На стекле 2 капли воды. Стекло подогревается снизу под одной из капель.

Учитель физики. Почему подогреваемая капля испаряется быстрее?

Ученики. С увеличением температуры испарение жидкости усиливается, так как чем выше температура, тем больше число быстродвижущихся молекул, способных покинуть жидкость.

Опыт II

На доску кисточкой наносятся мазки различных жидкостей: эфира, спирта, воды и масла.

Учитель физики. Почему эфир испаряется быстрее?

Ученики. Силы сцепления между молекулами эфира меньше, чем между молекулами других жидкостей.

Опыт III

Пипеткой капнуть эфир на стекло и на лист промокательной бумаги. Наблюдается процесс испарения.

Учитель физики. Почему с промокашки быстрее испаряется эфир?

Ученики. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем большее число молекул одновременно вылетают с нее в воздух.

Учитель физики. Одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Часть молекул, покинувших жидкость, снова в нее возвращаются. Если испарение происходит в закрытом сосуде, то число молекул, вылетающих из жидкости, становится равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. Поэтому масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Если же сосуд открыт, то масса жидкости в нем со временем уменьшается.

Опыт IV

Бумага, смоченная водой, обдувается вентилятором.

Учитель физики. Почему бумага высыхает быстрее?

Ученики. Так как создавшийся ветер (поток воздуха) уносит образовавшийся пар.

Учитель физики. Сделаем вывод. Отчего же зависит скорость испарения жидкости? (В тетрадях зарисовывается схема.)

Учитель физики. Как вы думаете, испаряются ли твердые тела?

Ученики. Испаряются не только жидкости, но и твердые тела. Испарение некоторых твердых тел обнаруживается по запаху. Например, испарение нафталина, камфары. Испаряется и лед, вследствие чего на морозе можно сушить белье, которое из обледеневшего становится сухим.

Опыт V

Испарение кристаллов йода. Если подогреть пробирку с небольшим количеством кристаллов йода на слабом пламени, то кристаллы начнут испаряться. Пары йода имеют густой фиолетовый цвет, поэтому их хорошо видно. При охлаждении пробирки из паров йода образуются сразу кристаллики йода.

Учитель физики. Но вернемся к жидкостям. Так как при испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, то Vcp оставшихся молекул становится меньше. Следовательно, Еср.кинет. молекул уменьшается. Это означает, что внутренняя энергия (И) испаряющейся жидкости уменьшается (рис. 2).

Рис. 2

Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.

Энергичные молекулы улетают

Опыт VI

Шарик термометра обматывается ватой, смоченной в эфире.

Учитель физики. Почему столбик термометра опускается?

Ученики. Быстро испаряющийся эфир отнимает часть внутренней энергии от ртути (спирта) термометра, вследствие чего их температура понижается.

Учитель физики. Почему же при испарении воды, налитой в стакан, мы не замечаем понижения ее температуры?

Ученики. Испарение происходит медленно, и температура воды поддерживается постоянной за счет количества теплоты, поступающей из окружающего воздуха.

Учитель физики. Поглощение энергии при испарении жидкости можно наблюдать еще на одном опыте.

Опыт VII

Опрокинутую колбу соединяют резиновой трубкой с жидкостным манометром. Сверху на колбу кладут лоскуток ткани и на него наливают пипеткой немного эфира.

Учитель физики, почему в коленце манометра, присоединенного к колбе, уровень жидкости повышается?

Ученики. Испаряясь, эфир поглощает энергию из воздуха, воздух в колбе охлаждается, давление воздуха в колбе уменьшается, о чем можно судить по повышению уровня жидкости в колене манометра, присоединенного к колбе.

Рис. 3

Учитель физики. Мы говорили, что может происходить и обратный процесс: переход молекул из пара в жидкость.

Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

При конденсации

Конденсацией пара объясняется образование облаков (мельчайших капелек воды).

Учитель физики. Таким образом, испарение и конденсация — это наиболее легко регулируемые способы изменения внутренней энергии вещества. Поэтому испарение и конденсация должны играть большую роль в жизнедеятельности человека и животных. Ребята, вы хорошо знаете, что когда жарко, человек потеет и, наоборот, выходя из воды, даже в жаркий день, вы чувствуете холод. Почему? (Ответы учащихся.)

Учитель биологии. Ребята, вы правы, когда жарко — человек потеет. Это хорошо. Для терморегуляции организма человека важную роль играет потоотделение. Влага, содержащаяся в организме человека, во время жары через поры в эпителии выходит наружу. Потоотделение обеспечивает постоянство температуры тела человека. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия тела, благодаря этому организм охлаждается. Получается, потея, мы спасаем себя от перегрева организма.

Учитель физики. Процесс испарения будет зависеть от условий окружающей среды, то есть от влажности окружающего воздуха. Нормальной считается влажность воздуха 40—60%.

Учитель биологии. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Если же влажность окружающего воздуха высока — более 70 %, то жить и работать становится тяжело (влажные тропики, красильные цеха заводов). Если влажность меньше 40 % при нормальной температуре воздуха, это приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию (пустыни, металлургические заводы).

Учитель физики. Невольно приходит на ум сценка из водевиля А.П. Чехова «Свадьба», в которой испарение играет не последнюю роль (зачитывает).

Змеюкина. Дайте мне атмосферы! Слышите?., махайте на меня, махайте... Скажите пожалуйста, отчего мне так душно?

Ять. Это оттого, что вы вспотели-с...

Змеюкина. Фуй, как вы вульгарны! Не смейте так выражаться!.. Ах, оставьте меня в покое! Дайте мне поэзии, восторгов! Махайте, махайте...

Учитель биологии. Различные условия окружающей среды, затрудняющие или ускоряющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма.

Почему в жару не надо носить кожаную, клеенчатую, синтетическую одежду?

Ученики. Такая одежда затрудняет потоотделение, что приводит к перегреву организма.

Учитель физики. Решим задачу биофизического содержания.

При длительной тяжелой физической работе человек выделяет пот объемом около 10 л. Какая масса воды может быть нагрета от 40° до 100° за счет той тепловой энергии, которая затратилась на испарение пота объемом 10 л? Для приближенного ответа считаем, что Lпота ≈ Lводы.

Дано:

Решение:

Q1 = Lm — количество теплоты, затраченное на испарение пота.

Q2 = Сm2 (t2 – t1) — количество энергии, необходимой для нагревания воды.

Q2 = Q1

Учитель биологии. Большую роль играет испарение в жизни растений. Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведу такой пример: за один вегетационный период одно растение (подсолнечник или кукуруза) испаряет до 200 кг и более воды, то есть бочку солидных размеров. При таком энергичном испарении требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого служит корневая система, размеры которой огромны. Интересны растения пустыни. Например, кактусы — растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превратились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, малопроницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными, почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало влаги.

Очень интересна роль испарения у животных и птиц. Послушаем доклад ученика.

Сообщение ученика «Роль процесса испарения у животных и птиц»

Известно, что верблюд может не пить 2 недели. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой

шерстью — шерсть спасает от перегрева и препятствует испарению влаги в организме. Верблюд никогда, даже в самый зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если широко открыть рот, испаряется много воды. Частота дыхания верблюда очень низка — 8 раз в минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34 °С, а днем в жару повышена до 41 °С. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется очень важное приспособление для сохранения воды впрок. Известно, что из жира, когда он «сгорает» в организме, получается много воды — 107 г из жира массой 100 г. Таким образом, из своих горбов верблюд может извлечь воду массой до 50 кг.

Для уравновешивания неизбежной потери воды за счет испарения многие животные всасывают ее через покровы тела в жидком или газообразном состоянии (амфибии, насекомые, клещи). В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с поверхности воздушных мешков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. В связи с этим в жаркую погоду птица открывает клюв.

Учитель физики. Изучив тему испарения, мы узнали, какую большую роль играет испарение в жизни растений и животных, как это важно для человека. Вы теперь сможете ответить на ряд вопросов, в объяснении которых вы затруднялись.

Домашнее задание

1) Наполните маленький стаканчик водой и вылейте воду на тарелку.

2) Снова наполните тот же стаканчик водой и поставьте его вместе с тарелкой в спокойное место (например на шкаф), предоставив воде испаряться.

3) Запишите дату и час начала опыта.

4) Когда вода из тарелки вся испарится, снова запишите время.

5) Запишите время, когда из стакана испарится четверть всей находящейся в нем воды.

6) Измерьте диаметры стакана и тарелки, определите площади поверхности жидкости в них.

7) Сопоставьте время испарения жидкости с площадью ее поверхности.

8) Напишите отчет о работе.

Заключение

На следующем уроке можно провести физический диктант по 2-м вариантам. (Вопросы варианта классу диктовать поочередно).

I вариант

1. Почему в жару собаки высовывают язык?

2. Почему вода, налитая в сосуд из слабо обожженной глины, заметно холоднее окружающего воздуха?

3. Почему палец, смоченный в эфире, будет ощущать холод?

4. Почему в сухом воздухе переносить жару легче?

II вариант

1. Почему фрукты, предназначенные для сушки, разрезают на тонкие ломтики?

2. Почему, выходя из воды даже в жаркий день, вы чувствуете холод?

3. Почему синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тела?

4. Почему в банях некоторые металлические трубы, по которым подается вода, покрыты капельками воды?