Ледяное великолепие

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