Методическая разработка занятия "Неньютоновские жидкости"

Управление образования администрации

города КОМСОМОЛЬСКА-НА-АМУРЕ ХАБАРОВСКИЕ КРАЯ

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»

г. Комсомольска-на-Амуре

Разработка учебного занятия

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Введение в материаловедение и нанотехнологии»

1 год обучения (14-17 лет)

К кейсу №3: «Процессы, явления, материалы»

Тема 3.3: «Эффекты в неньютоновских жидкостях»

Автор-составитель:

Кошелева Арина Александровна

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО Кванториум

Комсомольск-на-Амуре,

2022

Конспект занятия

по программе «Введение в материаловедение и нанотехнологии»

Кейс №3: «Процессы, явления, материалы»

Тема №3.3: «Эффекты в неньютоновских жидкостях»

Цель:сформировать представление об уникальном составе, физических свойствах неньютоновских жидкостей, встречающихся в повседневной жизни.

Задачи:

1) образовательные:

• сформировать знания о строении, физических свойствах и многообразии видов неньютоновских жидкостей;

• показать отличительные особенности ньютоновских и неньютоновских жидкостей;

• продемонстрировать многообразие неньютоновских жидкостей повседневной жизни и способы их применения.

2) развивающие:

• способствовать развитиюкоммуникативных навыков, умению правильно анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать познавательные объекты, делать выводы;

• способствовать командообразованию;

3) воспитательные:

• воспитывать познавательный интерес учащихся к дальнейшему изучение физических и химических наук.

Тип занятия: комбинированное.

Основные понятия: жидкость, идеальные жидкости, реальные жидкости, реология, ньютоновские жидкости, неньютоновские жидкости, вязкость.

Оборудование и материалы: мультимедийное оборудование; презентация к занятию «Неньютоновская жидкость», дистиллированная или кипяченая вода, картофельный (кукурузный) крахмал, клей ПВА-1, раствор перекиси водорода (10%), пищевые красители, глубокие стеклянные чаши, электронные весы, металлические шпатели или деревянные палочки, электрическая плитка.

План занятия:

1. Организационный момент (3-5 мин.).

2. Актуализация знаний (7-10 мин.).

3. Объяснение нового материала (15 мин.).

4. Динамические паузы (2-3 мин.)

5. Закрепление материала (7-10 мин.)

6. Рефлексия. Подведение итогов (5 мин.)

Ход занятия

Приветствие обучающихся

Педагог:Здравствуйте, ребята! Очень приятно видеть вас всех на нашем занятии в наноквантуме. Хотелось бы узнать, как ваше настроение сегодня, самочувствие и что нового вы сегодня узнали в школе или дома? Предлагаю каждому высказаться в трех предложениях.

Учащиеся:Приветствуют педагога, делятся о своих впечатлениях.

Педагог:Услышала вас ребята и думаю, что сегодня мы проведём занятие максимально продуктивно и у многих из вас по его окончанию будет новый прилив сил, воодушевление и усилится желание изучать физические и химические науки. А для того, чтобы начать занятие с позитивного настроения, предлагаю вам сыграть со мной в игру, которая называется «Угадай, кто я?» Согласны поиграть?

Учащиеся:Да!

Актуализация знаний

Педагог:Превосходно, тогда объясняю правила игры и начинаем. Ваша задача отгадать всех ученых физики и химии по описанию их научных открытий.

Учащиеся:Играют в игру, в ходе которой отгадывают учёных: Архимед, Джоуль, Ньютон, Менделеев, Ампер, Ломоносов, Лавуазье.

Педагог:Молодцы, вы отгадали всех учёных. Кстати, пока мы играли у меня возник такой вопрос, связанный с деятельностью Исаака Ньютона, ребят как вы думаете: возможно ли в нашем мире существование вещества, которое не подчинялась бы его законам или законам физики в целом? К примеру, если это вещество было в виде жидкости.

Учащиеся:Высказывают свои предположения.

Педагог:Вижу у нас возник спор, для того, чтобы его разрешить предлагаю вам просмотреть видеофрагмент под названием «Танцующая жидкость».

Демонстрация видеофрагмента. Существует подобная жидкость или нет в нашем мире? Давайте теперь аргументируем увиденный нами видеофрагмент.

Учащиеся:Приходят к следующим выводам: а) существование подобной жидкости действительно возможно, б) такой жидкости нет в природе, видеофрагмент фальшивый.

Педагог:Давайте же сегодня на занятии попробуем это выяснить: действительно ли существует такая «танцующая жидкость» или нет, Согласны?

Учащиеся:Да!

Педагог:Тогда сегодня тема нашего занятия: «Эффекты неньютоновких жидкостей», нам предстоит узнать её природу, физические свойства, область применения, а также попробуем создать её в нашей лаборатории. Тем самым мы с вами выясним, действительно ли подобная жидкость существует в нашем мире. Но для начала давайте с вами вспомним, всё что мы знаем о жидкости из курса физики 7 класса и заполним кластер «Свойства жидкости». Приступаем.

Учащиеся:Каждый по очереди выходит к флипчату и делится знаниями по теме «Свойства жидкости», заполняя кластер (Приложение 1).

Объяснение нового материала

Педагог:Замечательно, ребята. Вы вспомнили о том, что для жидкости характерны такие свойства как: текучесть, сжимаемость, плотность, вязкость, температурное расширение, поверхностное натяжение, и также способность растворять молекулы газа. Таким образом, вы назвали абсолютно все физические свойства.

Именно жидкости имеющие подобную характеристику привычны нам и чаще всего встречаются в повседневной жизни. Например, когда мы пьем чай, заливаем бензин в автомобиль, наливаем масло на сковороду и т.д.

Как вы помните, жидкость - это одно из агрегатных состояний вещества, на ряду с твёрдым и газообразным. Существует целая прикладная наука гидравлика,которая занимается изучением этого агрегатного состояния. Она рассматривает вопросы равновесия и движения жидкостей, а также помогает реализовать способы их практического применения.

Ребята, согласно исследованиям, в области этой науки все жидкости принято классифицировать на идеальные и реальные.

К идеальными принято относить невязкие жидкости, другими словами у них отсутствует сила трения и касательные напряжения, и поэтому у них чаще всего наблюдается абсолютная неизменность объема под воздействием внешних сил.

К реальным относятся жидкости, имеющие все физические свойства, перечисленные вами ранее. В свою очередь, все реальные жидкости могут бытьньютоновскими и неньютоновскими.Давайте же рассмотрим их более подробно.

Педагог:Ньютоновскими жидкостями называют вязкие жидкости, подчиняющиеся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, за счёт характерных ей физических свойств. К ним мы относим воду, все водные растворы, спирт, бензин и нефтепродукты.

Неньютоновские жидкости называют жидкости, которые меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействие, но также звуковыми волнами и электромагнитными полями. В таких жидкостях законы вязкостного трения Ньютона неприменима. К ним относят: краска, мед, шампуни, зубная паста кровь, и т.д.

Ребят, прошу вас посмотреть на эти два определения внимательно, в каком же физическом свойстве заключается различие природы этих двух жидкостей?

Учащиеся:Это скорее всего вязкость.

Педагог: Правильно. Мы с вами знаем, что чем сильнее механически будет воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой эффект. Данная жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело, а связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на нее. В итоге, мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои у такой жидкостей, например, не сможем её перелить в другой сосуд. Именно вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшении скорости течения жидкости.

Педагог:На сегодняшний день изучением свойств и эффектов в неньютоновской жидкостях занимается современная наука, которая называется реология..

В реологии все неньютоновские жидкости разделяются на три групы: бингамовские, псевдопластичные и дилатантные.

Бингамовскими принятно считать те неньютоновские жидкости, которые при разрушении их пластичной структуры, начинают вести себя как обычные. При этом они способны восстанавливаться обратно. Их примерами являются зубные пасты, масляные краски.

Псевдопластичные -это неньютоновские жидкости, которые начинают течь как обычные при самом маленьком разрушительном воздействии на их пластическую структуру. К подобным жидкостям относят всевозможные полимеры целлюлозы.

Дилатантые-это неньютоновские жидкости, которые в своей пластичной структуре содержат столько жидкости, что её количество позволяет полностью во время медленного течения заполнить пустоты между частицами твёрдой фазы. Это самые стабильные неньютоновские жидкости, трудноразрушимые. К ним относят: все виды клеев, растворы крахмала и даже зыбучие пески.

Педагог:Теперь, когда мы с вами знаем о том, что из себя представляет неньютоновская жидкость и какие виды её бывают, давайте с вами, поговорим о области её применения. Ребят, как вы думаете, где же можно использовать подобную жидкость? В каких сферах она была бы полезна со своим свойством изменять вязкость и упругость?

Учащиеся:Данную жидкость можно было бы использовать, например, в декоративно-прикладном искусстве, кулинарии, медицине и т.д.

Педагог:Очень интересные ответы, и действительно вы правы. Помимо этого, данную жидкость повсеместно используют в косметологии, придавая особую вязкость тональным кремам, которые лучше ложились бы на кожу лица, в технике, особенно они популярны в автопроме при изготовлении моторных масел. Как мы видим знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают в медицине, в технике, в кулинарии, в производстве косметики.

Педагог:Теперь вы поверили в то, что жидкость неподчиняющаяся ни одному закону физики существует в нашем мире и при этом ещё и является одним из популярных материалов использования в различных сферах?

Учащиеся:А) Да, Б) Нет.

Педагог:Хорошо, ребят. Для того, чтобы окончательно развеять сомнения и догадки, я предлагаю вам самим создать свою неньютоновскую жидкость и рассмотреть её свойства? Согласны?

Учащиеся:Да. Давайте попробуем.

Динамическая пауза

Педагог:Хорошо, прежде чем мы приступим к практической части нашего занятия, давайте с вами немного поиграем в игру, посвящённую правилам техники безопасности при работе в лаборатории наноквантума. Правило очень простое, вам нужно встать около своих рабочих мест, рядом с вашим соседом, дотронутся до называемой части тела и озвучить любое правило техники безопасности.

Закрепление материала (практическая работа)

Педагог:Теперь, когда мы с вами вспомнили правила техники безопасности, я предлагаю вам пройти на ваши рабочие площадки, разделившись на две команды. На вашей рабочей площадке вы видите всё необходимое оборудование и раздаточный материал, который вам пригодиться для выполнения вашей практической работы. У каждой команды будет своя визитная карточка, на которой надо написать: название команды, указать количество человек в команде, написать ФИО участников. Также информационная карта по выполнению практической работы и бланк, в который вы будете вносить свои полученные результаты, по окончанию работы, вы представите свои результаты, и мы внесем их в таблицу

«Сравнение физических свойств неньютоновских жидкостей». (Приложение 2). Если у вас возникают какие-либо трудности, то вы можете проконсультироваться со мной. Приступаем.

Учащиеся:Разделились на две команды, изучили раздаточный материал и приступили к выполнению практической части, пользуясь необходимыми реактивами и оборудованием.

Педагог:Вижу, что вы уже закончили, команды. Прошу первую команду рассказать в чем заключалась ваша работа и огласить полученные вами результаты. А я внесу их в нашу общую таблицу.

Учащиеся:Нам надо было создать неньютоновкую жидкость из картофельного крахмала и воды, а также изучить ее физические свойства. Для того, чтобы её получить мы смешали 200 г крахмала с 200 мл воды. Для придания цвета мы добавили в нашу жидкость красивый пищевой краситель оранжевого цвета. У нас действительно получилась неньютоновская жидкость, которая отличается свойствами от обычной воды. Мы выяснили, что данная жидкость действительно может проявлять себя как твёрдое тело, в том случае если на неё быстро, резко воздействовать механически или попробовать скатать шарик, при медленном воздействии на неё она проявляет себя как жидкость.

Помимо этого, она обладает огромной вязкостью, текучестью, не смачивает кожу рук, при нагревании мы увидели, что она способна испаряться, её очень трудно перемешивать, очень пластичная.

С помощью ареометра мы определили плотность нашей неньютоновской жидкости, она равна 1400 кг/м^3,что превышает плотность обычной воды

Все полученные результаты мы внесли в таблицу.

Педагог:Большое спасибо, первой команде, прошу передать мне бланк результатов для внесения в общую таблицу. Прошу теперь вторую команду представить свои результаты.

Учащиеся:Нашей команде надо было создать неньютоновскую жидкость из картофельного крахмала, клея ПВА, перекиси водорода. Соотношение этих компонентов было 3:1:1. При перемешивании мы получили однородную, сметанообразную массу белого цвета. Для придания окраски, мы добавили в смесь пищевой краситель зелёного цвета.

Образец получился очень вязкий, текучий, однородный, он легко под действием механичной силы скатался в шар, плохо испаряется при нагревании, не смачивает кожу рук, но оставляет на них следы клея.

При измерении плотности с помощью ареометра, мы выяснили, что у нашей неньютоновкой жидкости она превышает плотность обычной воды и ранва1450 кг /м^3.

Педагог: Большое спасибо, второй команде, прошу передать мне бланк результатов для внесения в общую таблицу. Прошу вас посмотреть на полученные результаты и сказать, а какую из полученных вами неньютоновскую жидкость лучше будет взять за основу в применении для нашей жизни?

Учащиеся:Второй образец лучше подходит как основной состав при использовании неньютоновской жидкости.

Подведение итогов занятия

Педагог:Полностью согласна с вами, ребята. Ребята, давайте по нашему занятию составим сиквейн, который бы наиболее точно охарактеризовал его. И прошу каждого зачитать полученные вами сиквейны.

Учащиеся:Составляют сиквейны, зачитывают.

Педагог:Превосходные сиквейны, на этой позитивной ноте мы завершаем наше занятие по теме «Неньютоновские жидкости». Спасибо вам большое за участие, до встречи.

Список используемой литературы:

1.Алтынов П. И. Краткий справочник школьника. 5-11 кл. [Текст] / Авт.-сост. П. И. Алтынов, П. А. Андреев, А. Б. Балжи и др. – М.: Дрофа, 1997. – 624 с.;

2.Важнейшие физические свойства жидкости [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://studopedia.org/4-172203.html (дата обращения: 25.10.2022).

3.Свойства неньютоновских жидкостей [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://naukaveselo.ru/svoystva-nenyutonovskih-zhidkostey.html (дата обращения:25.10.2022).

4.Тютиков А. В. Загадки неньютоновской жидкости [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://journal.kuzspa.ru/articles/188/ (дата обращения: 25.10.2022)

5.Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. М.: Мир, 1964.

Приложение 1

Схема кластера «Свойства жидкости»

Жидкость

Приложение 2

Вариант№1

Практическая работа

«Изучение свойств неньютоновской жидкости

• Название команды______________________________________________________

• Количество участников__________________________________________________

• ФИО участников___________________________________________________

Цель работы: изучить физические свойства, характерные для неньютоновской жидкости.

Оборудование и материалы: картофельный (кукурузного) крахмал, пищевой краситель, дистиллированная вода, глубокая чашка, ареометр, нагревательная плита,весы.

Ход работы:

Опыт 1. Получение неньютоновской жидкости из крахмала и воды.

Подготовьте к использованию указанные реактивы и посуду. В глубокую чашку отмерьте 200 г картофельного крахмала. Отмерьте около 200 мл воды и приливайте в чашу с крахмалом, интенсивно перемешивая. Добавьте в однородную массу немного пищевого красителя, снова перемешайте и оставьте поученный образец настояться на 10 минут.

Опыт№2 Изучение физических свойств неньютоновской жидкости: вязкость, текучесть, однородность, пластичность, смачиваемость.

Погрузите в полученный образец неньютоновской жидкости небольшой предмет или кончик карандаша, проделайте тоже самое только намного быстрее. Попробуйте перелить полученный образец в стакан. Возьмите в руку небольшое количество образца и попытайтесь скатать из него шар. Что наблюдаете? Получение результаты внесите в бланк ответов(таблица).

Опыт №3 Изучение способности неньютоновской жидкости к испарению.

Нагрейте небольшое количество образца на нагревательной до температуры кипения обычной воды. Что наблюдаете? Получение результаты внесите в бланк ответов (таблица).

Опыт №4 Измерение плотности неньютоновской жидкости.

С помощью ареометра измерьте плотность вашего образца неньютоновской жидкости. Получение результаты внесите в бланк ответов(таблица).

Таблица «Сравнение физических свойств неньютоновских жидкостей»

Отметьте знаком «+» или минус «- свойства характерные вашему образцу

Сделайте общий вывод по проделанной работе опираясь на следующие критерии:

А) У нас получилось или не получилась создать неньютоновскую жидкость

Б) Наша неньютоновская жидкость обладает всеми физическими свойствами, указанными в таблице.

Вариант№2

Практическая работа

«Изучение свойств неньютоновской жидкости

• Название команды______________________________________________________

• Количество участников__________________________________________________

• ФИО участников___________________________________________________

Цель работы: изучить физические свойства, характерные для неньютоновской жидкости.

Оборудование и материалы: картофельный (кукурузного) крахмал, пищевой краситель, дистиллированная вода, ПВА-1, пероксид водорода (10%) глубокая чашка, ареометр, нагревательная плита, электронные весы.

Ход работы:

Опыт 1. Получение неньютоновской жидкости из крахмала, ПВА-1, пероксида водорода.

Подготовьте к использованию указанные реактивы и посуду. В глубокую чашку отмерьте 200 г картофельного крахмала. Отмерьте около 30 мл клея ПВА-1 и добавьте в чашу с крахмалом, интенсивно перемешивая. Добавьте в однородную массу немного пищевого красителя, снова перемешайте. Приливайте постепенно раствор перокисда водорода до получения однородной массы. Оставьте поученный образец настояться на 10 минут.

Опыт№2 Изучение физических свойств неньютоновской жидкости: вязкость, текучесть, однородность, пластичность, смачиваемость.

Погрузите в полученный образец неньютоновской жидкости небольшой предмет или кончик карандаша, проделайте тоже самое только намного быстрее. Попробуйте перелить полученный образец в стакан. Возьмите в руку небольшое количество образца и попытайтесь скатать из него шар. Что наблюдаете? Получение результаты внесите в бланк ответов(таблица).

Опыт №3 Изучение способности неньютоновской жидкости к испарению.

Нагрейте небольшое количество образца на нагревательной до температуры кипения обычной воды. Что наблюдаете? Получение результаты внесите в бланк ответов (таблица).

Опыт №4 Измерение плотности неньютоновской жидкости.

С помощью ареометра измерьте плотность вашего образца неньютоновской жидкости. Получение результаты внесите в бланк ответов(таблица).

Таблица «Сравнение физических свойств неньютоновских жидкостей»

Отметьте знаком «+» или минус «- свойства характерные вашему образцу

Сделайте общий вывод по проделанной работе опираясь на следующие критерии:

А) У нас получилось или не получилась создать неньютоновскую жидкость

Б) Наша неньютоновская жидкость обладает всеми физическими свойствами, указанными в таблице.