Наблюдение и изучение явления диффузии

Учебно-исследовательская работа. 7-й класс

I. Введение

Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах – молекулярная теория. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме; различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение Демокрита существует давно, однако и нынешнее учение основано на предположениях того времени.

В основе современного положения молекулярно-кинетической лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспериментально: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Из учения Демокрита следует, что все тела состоят из атомов, однако атомы могут образовывать молекулы. Молекулами называют мельчайшие частицы, из которых состоят различные вещества [и которые обладают свойствами этого вещества. – Ред.] Все частицы находятся в непрерывном движении. Одним из проявлений теплового движения является процесс диффузии. Диффузия – проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

II. Цель работы

Целью экспериментальной работы является наблюдение и изучение явления диффузии. Для проведения эксперимента использовались леденцы четырёх различных цветов, вода и промокательная бумага.

Эксперимент I – наблюдение растворения леденцов в воде при неизменной температуре (t = 21 °C).

Эксперимент II – изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры.

III. Оборудование

4 блюдца, леденцы разного цвета, стакан с водой.

 

IV. Проведение эксперимента I

1. Положим в каждое блюдце по 3 леденца одинакового цвета (фото [здесь опущено. – Ред.]). Нальём в каждое блюдце одинаковое количество воды при температуре t = 13 °C (фото).

2. Вода в блюдцах начинала окрашиваться в цвет леденцов через несколько минут, т.е. началось растворение леденцов (фото). Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами веществ твёрдых леденцов. В результате молекулы воды начинают проникать в промежутки между молекулами твёрдых веществ, нарушая силы притяжения. Одновременно начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решётки твёрдого вещества. Однако размеры молекул воды и окрашенных леденцов настолько малы (масса молекулы воды приблизительно равна m₀ = 0,000 000 000 000 000 000 000 029 88 г). и их так много, что проследить за движением одной молекулы невозможно. Например, число частиц в объёме 0,0005 м³ равно 1,806•10²². Наблюдаемое явление называется диффузией. Процесс растворения леденцов закончился, вода полностью окрасилась в цвет леденцов, находящихся в блюдцах (фото).

3. Возьмём лист промокательной бумаги, проведём на нём карандашную линию на расстоянии 3 см от края. Капнем получившимся раствором краски на карандашную линию. Будем делать это до тех пор, пока пятна не станут яркими.

Затем свернём бумагу в цилиндр (фото). В тарелку нальём воду (высотой примерно 2,5 см). Опустим нижнюю часть цилиндра с пятнами краски в тарелку с водой. Бумага начала впитывать воду, и вода поднимается вверх по бумаге (фото). Подъём воды происходит за счёт сил притяжения молекул воды и бумаги. Эти силы больше, чем силы притяжения между частицами воды. Поэтому пятна краски постепенно размываются, их площадь увеличивается, они одновременно становятся светлее, продолжается подъём краски вместе с водой (фото). Это явление называется капиллярностью, оно сопровождает диффузию.

V. Проведение эксперимента II

1. Возьмём 2 стакана, в один из них нальём холодную воду, в другой – горячую равного объёма. Электронным термометром ТЭН-5 измерим начальную температуру холодной и горячей воды: tx = 6,4 °C, tг = 65,8 °C.

2. Леденцы красного и жёлтого цветов разложим в два тонкостенных стакана с водой. Объём воды в обоих стаканах равный. В этом эксперименте мы исключили объём. Изменяются три параметра: время, температура и высота столба окрашенной жидкости. Все эти величины можно измерить с учётом погрешности, но построить строгую математическую зависимость сложно, т.к. не хватает математического аппарата. Поэтому построим гистограммы, на которых покажем, как через равные интервалы времени изменяется температура и при этом увеличивается высота окрашенной жидкости.

На гистограмме 1 показано, как в течение 55 мин температура увеличивалась с tн = 6,4 °C до tк = 17,1 °C.

Специально стакан не нагревали, вода нагревалась за счёт теплообмена с окружающей средой:

1–2 – происходил нагрев самого стакана; 2–3 – при незначительном увеличении температуры резко увеличивалась высота окрашенной жидкости, т.к. стакан, вероятно, уже нагрелся до температуры окружающей среды и отбираемое из окружающей среды тепло шло на нагревание воды; 3–8 – процесс диффузии шёл почти равномерно.

За 55 мин вода окрасилась не полностью. Это говорит о том, что диффузия зависит от температуры. Интенсивный теплообмен с окружающей средой почти закончился. Количества энергии, поступающей из окружающей среды, недостаточно для ускорения процесса диффузии.

На гистограмме 2 показано остывание воды через равные интервалы времени в течение 55 мин и изменение высоты окрашенной воды:

1–2 – резкое увеличение столба окрашенной жидкости. Это, вероятно, можно объяснить тем, что сначала растворяются леденцы; 2–3 – нагреваются стакан и окружающая среда, поэтому происходит понижение температуры; 3–8 – процесс диффузии происходит относительно равномерно, и за 55 мин вода в стакане окрашивается полностью.

VI. Выводы. Мы наблюдали процесс диффузии. Диффузия – временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и рода вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии. В твёрдых веществах диффузия протекает медленнее, чем в жидкостях. Явление диффузии сопровождалось капиллярными явлениями.

VII. Заключение. Явление диффузии широко применяется на производстве, в медицине, в полупроводниковом производстве (для создания микросхем). Гемодиализ спас жизнь многим больным.

 

Проект 2. ВЕС ТЕЛА. ВЕСЫ. НЕВЕСОМОСТЬ (пример «ВЕСЫ»)

Весы – прибор для определения массы тел по их весу. Весами иногда называют также приборы для измерений других физических величин, преобразуемых с этой целью в силу или в момент силы. Это один из древнейших приборов. Он возник несколько тысячелетий назад и совершенствовался с развитием торговли, производства и науки.

• Простейшие весы в виде равноплечего коромысла с подвешенными чашками широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне
  (2,5 тыс. лет до н.э.) и Египте (2 тыс. лет до н.э.).

• Несколько позднее появились неравноплечие весы с передвижной гирей (безмен). Уже в IV в. до н.э. Аристотель дал теорию таких весов (правило моментов сил).

• В XII в. арабский учёный аль-Хазини описал весы с чашками, погрешность которых не превышала 0,1%. Они использовались для определения плотности различных веществ, что позволяло распознавать сплавы, выявлять фальшивые монеты, отличать драгоценные камни от поддельных и т.д.

 

Старинные весы и монеты викингов

• В 1586 г. Г.Галилей для определения плотности тел сконструировал специальные гидростатические весы.

• Развитие промышленности и транспорта привело к созданию весов, рассчитанных на большие нагрузки. В конце XIX в. с развитием поточного производства появились весы для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять весы самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте – автомобилей, железнодорожных вагонов, самолётов; в промышленности – от мельчайших деталей и узлов точных приборов до многотонных слитков). Для научных исследований были разработаны конструкции точных весов – аналитических, микроаналитических, пробирных и др.

В зависимости от назначения весы делятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства. По принципу действия весы подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические. Наиболее распространены рычажные весы, их действие основано на законе равновесия рычага.

Современные лабораторные весы снабжаются рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (демпферами), дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха, тепловыми экранами, механизмами наложения и снятия встроенных гирь.

В основу действия пружинных и электротензометрических весов положен закон Гука. При помощи пружинных весов измеряют не массу, а вес. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных весов зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем. Всё это снижает точность пружинных весов.

Проект 3. ФОТОАЛЬБОМ «ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОСТЬ»

Проект «Гидрокосмос» (погружения в скафандре ОРЛАН). Невесомость является одним из основных факторов, влияющих на деятельность человека в космосе. Гидроневесомость – один из самых эффективных способов моделирования (хотя далеко не буквального. – Ред.) условий работы в открытом космосе. Объекты космической техники и космонавты в скафандрах опускаются в гидробассейн, им придают нейтральную плавучесть, состояние безразличного равновесия и безопорного состояния. Акванавт ощущает себя словно работающим в открытом космосе. Погружения в скафандре ОРЛАН признаны официальной спецификацией PADI (Space Suit Diver).

 

 

 

Схема достижения невесомости (на стрелках указана перегрузка)

Операция в невесомости. Группа французских хирургов из Бордо впервые осуществила ряд успешных микрохирургических операций на крысах в самолёте, воспроизводящем условия невесомости. Это открывает возможность проведения подобных операций во время длительных космических полётов. Пациентами были четыре крысы. Аэробус был специально оборудован для имитации невесомости во время серии движений по параболической траектории, приблизительно по 20 с каждая. Исследователям удалось наложить «шов на полмиллиметровую артерию, минимальную, обнаруживаемую в нормальных условиях». Этот опыт открывает возможность сложных хирургических вмешательств во время долгосрочных космических полётов, при этом возможно даже, что операция над больным астронавтом в космосе будет производиться при помощи робота, управляемого на расстоянии с Земли хирургом. Полёт по параболе – это практически единственный метод воспроизведения невесомости на Земле. Во время такого полёта пилот сначала на высоте около 6000 м поднимает нос самолёта и начинает набор высоты до 7600 м. Этот этап длится около 20 с, и в это время пассажиры испытывают перегрузки до 1,8g. Затем пилот уменьшает тягу двигателя почти до нуля и направляет самолёт по параболической траектории. Самолёт начинает свободное падение (тяга двигателей компенсирует только сопротивление воздуха). При этом продолжается набор высоты. На высоте 8500 м самолёт достигает вершины параболы и начинает терять высоту. В течение почти 20 с в самолёте наблюдается невесомость. Затем пилот вновь выравнивает самолет, и все маневры по подготовке к выходу на параболическую траекторию начинаются вновь. И всё это повторяется 30 раз в течение одного полёта.

Пламя в невесомости. На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые и  определяют форму пламени. Они поднимают раскалённые частички сажи, которые излучают видимый свет. Благодаря этому мы видим пламя. В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму.

Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород, который горит голубым пламенем. Учёные стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств.

 

Проектная деятельность учащихся
7-й класс

Тематика проектов связывается: с разработкой и постановкой новых опытов по физике с имеющимися в кабинете приборами; с модернизацией «старых» физических приборов с тем, чтобы можно было ставить новые опыты; с изготовлением новых деталей, приспособлений, узлов к имеющимся приборам для демонстрации физических явлений и законов; с конструированием новых отдельных приборов или их комплектов в целях экспериментального изучения предмета; с конструированием новых приспособлений для домашнего хозяйства. Такая тематика позволяет усовершенствовать, обновить, укомплектовать кабинет физики самым естественным путём, поскольку старых способов (государственного финансирования, шефской помощи предприятий и т.п.) уже давно нет. Подобного рода деятельность талантливых учащихся всегда востребована: с одной стороны, она помогает эффективнее обучать физике следующие поколения, с другой – даёт опыт экспериментальной деятельности, который всегда востребован и в быту, и в профессиональной сфере.

Поэтапное выполнение того или иного проекта предусматривает: планирование эксперимента (выбрать экспериментальный метод, составить план проведения опыта, подобрать приборы и инструменты) и подготовку его в материале; проведение измерений (умение пользоваться измерительными приборами, соблюдая правила их эксплуатации); обработку и оформление результатов эксперимента; анализ и интерпретацию результатов с теоретических позиций (учебник и другая научная литература).

Проект 1: конструирование отметчиков временных интервалов

Задание 1. Сконструируйте капельницу – отметчик временных интервалов.

Вариант решения. Берут пластмассовый цилиндр (упаковку, трубку) высотой 50–60 мм, диаметром 25–30 мм. На боковой поверхности цилиндра сверлят отверстие, в которое плотно вставляют пустой укороченный стержень (без шарика) от шариковой ручки, загнутый под прямым углом (для сгибания его предварительно нагревают). Стержень легко поворачивается в стенке цилиндра, что позволяет регулировать частоту падения капель или вообще прекратить этот процесс. Закрытую и заполненную чернилами капельницу устанавливают на платформе легкоподвижной тележки прибора по кинематике и динамике. На столе вдоль штанги прибора размещают полоску бумаги. Штанге придают наклон, чтобы тележка с капельницей двигалась с ускорением или равномерно. Капельницу открывают, тележку отпускают – на полоске бумаги появляется ряд следов от капель, падавших через равные интервалы времени. Измеряют расстояния между соседними каплями и, сравнивая их, приходят к характеристике вида движения: прямолинейное равномерное или равноускоренное. Поворачивая стержень капельницы, можно менять частоту падения капель и получать разные виды «записи». Тот же результат получается при изменении наклона штанги.

При изучении равномерного движения капельницу закрепляют на самодвижущейся тележке, а «запись» производят, например, на длинной полоске матового оргстекла. Если повернуть эту полоску фронтально к классу, то капли чернил потекут по ней, оставляя метки. По этому «документу» можно изучать характер механического движения и определять скорость тележки.

Задание 2. Сконструируйте приспособление для записи движения, используя маятник от прибора по кинематике и динамике с движущейся лентой.

Вариант решения. Этот прибор промышленного изготовления сохранился во многих кабинетах физики из-за того, что был неудобен в работе (лента постоянно соскальзывает с блока). Блок с гладкой поверхностью заменяют двумя блоками с проточками, замкнутую ленту – толстой белой нитью или леской, мелок – кисточкой. Блоки на осях (винтах) закрепляют на дюралевом уголке 15х15х150 мм (расстояние между осями блоков 125 мм). На уголке же закрепляют стойку маятника и горизонтальный стержень для крепления прибора в муфте штатива. На концы нити или лески подвешивают грузы и перегрузки из комплектующих базового прибора. Записывают кисточкой, смоченной в чернилах, на белой нити. По полученному «документу» определяют зависимость перемещения и скорости движения от времени движения тела, различают виды движения.

Задание 3. Расширить функциональные возможности метронома.

Вариант решения. Метроном промышленного изготовления – непременный прибор в кабинете физики. Это простой часовой механизм, вмонтированный в пластмассовый футляр. Механизм снабжён ударником и направленным вверх маятником в виде узкой стальной полоски. На маятнике находится передвижной грузик, от положения которого зависит частота колебаний. Перемещая грузик согласно шкале на метрономе (отсчёт ведётся по верхнему краю грузика) можно изменять частоту от 40 до 208 ударов в минуту.

Поскольку на лабораторных занятиях по физике или на занятиях физкультурой удары не слышны каждому школьнику, то рядом с метрономом устанавливают микрофон, соединённый с усилителем низкой частоты, и динамический громкоговоритель воспроизводит удары с достаточной (регулируемой) громкостью.

Громкие чередующиеся звуки (типа ударов по барабану) можно получить и без микрофона с помощью метронома, электрически соединённого с УНЧ. Для этого к стальной полоске маятника поверх неподвижного груза помещают керамический магнит диаметром до 15 мм. Перед магнитом, когда маятник находится в положении равновесия, помещают с помощью подпаянных достаточно жёстких проводов геркон (с герметизированными контактами), работающий на замыкание. Другие концы проводов выводят под зажимы. Геркон – это откачанный стеклянный баллон с заключёнными в нём плоскими контактами из магнитного материала. Если нормально они разомкнуты, то при приближении, например, кольцевого магнита на маятнике метронома, контакты замыкаются, а при удалении магнита – размыкаются. Для подачи громких периодических звуковых сигналов, например, при выполнении лабораторной работы, ходьбе строевым шагом или беге, собирают простую электрическую цепь. При колебаниях маятника метронома геркон периодически замыкает её, тем самым подаётся сигнал на вход УНЧ, а с выхода снимается усиленный сигнал, воспроизводимый громкоговорителем. Ритм, или частоту звуковых сигналов, регулируют перемещением грузика на маятнике метронома.

Задание 4. Сконструируйте установку для регистрации числа ударов метронома.

 

Вариант решения. Зажимы метронома соединяют с входными зажимами счётчика-секундомера ССЭШ-68. Переключатель рода работы ССЭШ-68 устанавливают в положение «Механические замыкания». Включают счётчик в сеть, и считывают число ударов метронома.

Задание 5. Сконструируйте переключающее устройство для ёлочной гирлянды.

 

Вариант решения. В ёлочную гирлянду включают геркон, установленный в метрономе. При колебаниях маятника метронома электрическая цепь периодически замыкается и размыкается – лампочки гирлянды мигают. Частоту мигания изменяют, перемещая груз на маятнике.