Temat

Podsumowanie wiadomości o właściwościach materii

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Utrwalenie wiadomości o mikroskopowej budowie materii.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznawanie i opisywanie podstawowych własności materii w różnych stanach skupienia.

2. Określanie związku własności materii w różnych stanach skupienia z cząsteczkową budowa ciał.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- przedstawia wpływ budowy cząsteczkowej na własności materii w różnych stanach skupienia,

- formułuje prawa fizyczne dotyczące zjawisk zachodzących w gazach i cieczach.

Metody kształcenia

1. Odwrócona klasa.

2. Rozwiązywanie zadań problemowych.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Polecenie 1

Przygotuj odpowiedzi na następujące pytania.

a) Jakie doświadczenia potwierdzają teorię budowy materii z atomów?
b) Jaka jest różnica w oddziaływaniach międzycząsteczkowych w gazach, cieczach i ciałach stałych.
c) Czym różni się czwarty stan materii‑plazma od gazu?
d) Dlaczego ciała charakteryzujące się dobrym przewodnictwem elektrycznym dobrze przewodzą ciepło?
e) Jak zależy ciśnienie hydrostatyczne od gęstości cieczy?
f) Przedstaw prawo Pascala.
g) Przedstaw warunki pływania ciał.

Realizacja lekcji

Podstawowymi elementami, z których zbudowana jest materia, są atomy. Atom to najmniejsza ilość substancji prostej zachowującej jej właściwości chemiczne i fizyczne.

Atomy mają masę objętość i kształt. Atomy mogą łączyć się ze sobą tworząc cząsteczki, będące najmniejszą ilością substancji złożonej zachowującej jej właściwości chemiczne i fizyczne.

Atomy są bardzo małe, ale pomimo tego mają złożoną budowę, składają się z ciężkiego dodatniego jądra w środku atomu i ujemnych elektronów w zewnętrznej części.

Atomy zawierają ładunki (protony, elektrony). Są jednak elektrycznie obojętne.

Atomy i cząsteczki znajdują się w nieustannym ruchu.

Polecenie 2

Określ prawdziwość poniższych zdań.

a) Dyfuzja to samorzutne mieszanie się substancji, np. rozprzestrzenianie się zapachu w nieruchomym powietrzu.
b) Zjawisko kontrakcji objętości – polegające na tym, że objętość mieszaniny wody i alkoholu etylowego jest mniejsza od sumy objętości jej składników, to jest wody i alkoholu osobno, świadczy o budowie cząsteczkowej cieczy.
c) Atomy można zobaczyć w zwykłym mikroskopie optycznym.
d) Ruchy Browna polegające na nieustannym ruchu cząstek tłuszczu w wodzie świadczą o cząsteczkowej budowie wody.

Odpowiedź:

a) Prawda. b) Prawda. c) Fałsz. d) Prawda.

Polecenie 3

Sprawdź swoją znajomość nazw przemian fazowych.

[Grafika interaktywna]

Polecenie 4

Kostka masła ma wymiary 10 cm · 8 cm · 2,4 cm, jej masa wynosi 200 g. Oblicz gęstość masła. Wynik podaj w $\frac{g}{c{m}^3}$ oraz w $\frac{kg}{m^3}$.

Odpowiedź:

Gęstość masła d, obliczam stosując wzór:

gdzie:
m – masa masła,
V objętość masła.

Objętość masła wyznaczam z zależności:

gdzie:
a - długość,
b - szerokość,
c - wysokość kostki masła.

Odpowiedź:

Gęstość masła wynosi d = 1,04 $\frac{g}{c{m}^3}$ = 1040 $\frac{kg}{m^3}$.

Polecenie 5

[Ilustracja 1]

Określ prawdziwość poniższych zdań:

a) Prawo Pascala głosi, że ciśnienie zewnętrzne wywierane na płyn zależy od odległości od tłoka.
b) Prawo Pascala głosi, że ciśnienie zewnętrzne wywierane rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo.
c) Prawo Pascala dotyczy cieczy a nie dotyczy gazów.
d) Prawo Pascala dotyczy gazów i cieczy. Gazy i ciecze nazywamy płynami.

Odpowiedź.

a) Fałsz. b) Prawda. c) Fałsz. d) Prawda.

Polecenie 6

Które z poniższych stwierdzeń są prawdziwe a które fałszywe.

a) Ciecze są ściśliwe.
b) Gazy są ściśliwe.
c) Substancja w stanie gazowym po osiągnięciu temperatury ponad 1000 K stanie się plazmą.

Odpowiedź:

a) Fałsz. b) Prawda. c) Prawda.

Polecenie 7

Oblicz wartość ciśnienia hydrostatycznego, p, panującego u podstawy tamy wodnej na głębokości h = 10 metrów pod wodą. Przyjmij, że gęstość wody wynosi d = 1000 $\frac{kg}{m^3}$, a przyspieszenie ziemskie ma wartość 9,81 $\frac{m}{s^2}$, wynik podaj w paskalach.

Odpowiedź:

Ciśnienie hydrostatyczne obliczam ze wzoru:

Odpowiedź:

Ciśnienie hydrostatyczne wody na dnie tamy wynosi 98100 Pa.

Polecenie 8

Sześcian wykonany z aluminium o boku a = 10 cm ma gęstość d = 2700 $\frac{kg}{m^3}.$

a) Wykaż, że siłomierz mierzący z dokładnością 0,1 N na którym zawiesimy ten sześcian wskaże wagę Q = 26,5 N.

b) Po zanurzeniu w sześcianu w wodzie wskazanie siłomierza zmalało do wartości QIndeks dolny 1₁ = 16,7 N. Oblicz wartość siły wyporu, FIndeks dolny B_B, działającej na aluminium. Czy aluminium w postaci sześcianu może pływać po powierzchni wody?

c) Wyjaśnij dlaczego łódka turystyczna wykonana z aluminium nie tonie w wodzie, mimo, że gęstość aluminium jest niemal trzykrotnie większa niż gęstość wody. Jaki warunek musi spełnić łódka, aby mogła unosić się na powierzchni wody.

Odpowiedź:

a) Siłomierz wskaże siłę oddziaływania grawitacyjnego na sześcian ze strony Ziemi. Siłę tą nazywamy ciężarem ciała i obliczamy stosując zależność

gdzie:
m - masa ciała,
g = 9,81 $\frac{m}{s^2}$ - przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi.

Masę aluminium wyznaczamy znając gęstość aluminium d oraz objętość sześcianu $V=a^3$.

Wskazanie siłomierza będzie Q = 26,5 N.

b) Na sprężynę siłomierza działa siła naciągu, N, będąca różnicą pomiędzy ciężarem sześcianu Q, a siłą wyporu FIndeks dolny B_B.

[Ilustracja 2]

Siła wyporu jest równa ciężarowi wypartej wody.

gdzie:
mIndeks dolny w_w - masa wypartej wody,
$dw=1000\frac{kg}{m^3}$ - gęstość wody.

Wskazanie siłomierza będzie N = 16,7 N.

Sześcian wykonany z aluminium nie może pływać swobodnie po powierzchni wody gdyż ciężar sześcianu Q jest większy od siły wyporu FIndeks dolny B_B.

c) Łódka wykonana z aluminium zawiera wewnątrz swojej objętości powietrze, dzięki czemu średnia gęstość zanurzonej w wodzie części łódki jest mniejsza od gęstości wody. Łódka będzie swobodnie pływać po powierzchni wody gdy jej całkowity ciężar będzie równy ciężaru wypartej wody.

Podsumowanie lekcji

Atomistyczna teoria budowy materii jest potwierdzona przez zjawisko dyfuzji, zjawisko ruchów Browna. Materia jest zbudowana z atomów, które mogą łączyć się w cząsteczki. Atomy i cząsteczki są w nieustannym ruchu. W ciele stałym cząsteczki drgają wokół swoich położeń równowagi, w cieczy cząsteczki mogą przemieszczać się względem siebie, w gazie cząsteczki swobodnie przemieszczają się względem siebie. Gazy swobodnie wypełniają całą objętość naczynia charakteryzują się ściśliwością. Ciecze przyjmują kształt naczynia oraz wytwarzają swobodną powierzchnię na granicy rozdziału z ciałem stałym i z gazem. Zmiana temperatury może powodować przemiany faz stałej, ciekłej i gazowej. Powyżej 1000 K gazy przechodzą w czwarty stan materii w plazmę.

Gęstość ciała jest wielkością charakteryzującą ciało obliczaną jako stosunek masy do objętości: 

Zgodnie z prawem Archimedesa na ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa siła wyporu równa ciężarowi wypartej cieczy lub wypartego gazu.

Jeżeli gęstość ciała jest większa niż gęstość cieczy lub gazu, to ciało tonie. Jeżeli gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy lub gazu to ciało unosi się na powierzchni cieczy, lub wznosi się w gazie.

Wewnątrz gazu lub cieczy występuje ciśnienie hydrostatyczne, p, zależne od głębokości zanurzenia ciała, h, i gęstości cieczy lub gazu, d: 

Nacisk na zamknięty zbiornik z cieczą lub gazem zgodnie z prawem Pascala powoduje powstanie dodatkowego ciśnienia, które jest jednakowe w całej objętości rozważanego gazu lub cieczy.