Исследовательская работа "Лёд и его удивительные свойства"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №9» городского округа город Кумертау Республики Башкортостан Исследовательская работа «Лед и его удивительные свойства» Выполнила: Краилова Ульяна, ученица 4 А класса МБОУ СОШ №9  ГО г.Кумертау РБ 1 Научный руководитель: Наседкина М.Н. 2016 год Оглавление Введение .                                                                                                                 3 Глава 1. Лед ­это интересно. 1.1 Что такое лед?                                                                                                    4 1.2 Виды льда.                                                                                                          4            1.3 Интересные факты про лед.                                                                  5            1.4 Лед в жизни человека.                                                                           7 Глава 2. Необычные свойства льда.            2.1 Проверенные и доказанные свойства льда.                                         9            2.2 Экспериментальное исследование                                                      10 Заключение                                                                                                             11 Список литературы                                                                                                11 2 Введение Я очень люблю смотреть по телевизору научные передачи. В одной из телепередач говорилось, что однажды в 1963 году ученик средней школы из Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу и установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое ­ вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По­видимому, Мпемба не был особо усердным   учеником   и   промедлил   с   выполнением   первой   части   задания. Опасаясь,   что   не   успеет   к   концу   урока,   он   поставил   в   холодильник   еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей,   приготовленное   по   заданной   технологии.   После   этого   он экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.  Мне стало очень интересно, о чем же идет речь? И, чтобы выяснить это, я   решила   узнать   как   можно   больше   сведений   про   лёд   и   провести   своё исследование. Оказалось, что лед   и его свойства изучает целая   наука — гляциология,     которая   зародилась   в   конце   18   века   в   Альпийских   горах. Проблема льда всегда интересовала  астрономов, физиков и обычных людей. Цель моей исследовательской  работы:  опытным путем подтвердить или опровергнуть достоверность «Эффекта Мпембы». Задачи исследования:  узнать, что такое лёд;  выяснить, где применяют в нашей жизни лёд;  изучить свойства льда;   понять, в чём заключается «Эффект Мпембы». Объект  исследования – лед и его свойства. Предмет исследования – процесс образования льда из горячей и  холодной воды. Гипотеза: ­Мы   полагаем,   что   согласно   «Эффекту   Мпембы»   горячая   вода замерзает быстрее, чем холодная. Методы: 3  изучение  и анализ литературы;   эксперимент;  наблюдение. Практическое применение работы: материалы исследовательской работы  могут быть использованы на уроках окружающего мира и в учреждениях  дополнительного образования. Глава 1. Лед ­ это интересно 1.1 Что такое лед? Часто ли мы думаем, что такое лёд? Может быть, когда размораживаем холодильник   или   готовим   в   жару   прохладительные   напитки.   Лёд­   это замерзшая вода. У льда очень простой химический состав­ такой же, как у обыкновенной   воды.   Этот   минерал   имеет   химическую   формулу  H2O. Образование   льда   начинается,  когда   температура   воды   снижается   до   нуля градусов или ниже. Пресная вода превращается в лед при температуре 0С, а морская лишь при ­1,9С, это происходит из­за присутствия в морской воде соли. В природе лед очень распространенное явление. Лед содержится даже в глубинах   земной   коры   и   делится   на   несколько   разновидностей,   такие   как речной, морской, озерный, грунтовый. Там, где снега выпадает больше, чем успевает   таять,  со   временем  образуются   ледники.  Ледники  –  это   большое скопление снега, превратившегося в лед под давлением собственной массы. В леднике содержится много воды, а его белая поверхность отражает солнечный свет и тепло. Ледники сильно влияют на климат: если они тают, солнечный свет больше нечему отражать, на планете становится теплее, тают всё новые ледники   –  это   замкнутый   круг.  Интересно,   что   в   отличии   от   всех   других веществ,   вода   при   замерзании   расширяется.   В   тот   момент,   когда   вода превращается в лед, ее объем увеличивается на 10 %, именно по этой причине зимой лопаются батареи водяного отопления, если температура в квартирах снижается   до   минусовых   отметок.   И   лёд   получается   менее   плотным,   чем вода, поэтому он не тонет в воде. 1.2. Виды льда Выделяют несколько видов льда: 4 ­Атмосферный лёд: град, снег, иней. В эту группу   отнесли   такие   явления,   как   ледяные частицы,   которые   выпадают   на   землю   в   виде твердых   осадков.   Град   выпадает   атмосферными осадками   в   виде   небольших   частичек   льда,   чаще круглой   или   овальной   формы.   Обычно   град выпадает   при   плюсовой   температуре   воздуха,   и обычно при этом идет сильный ветер и гроза. Снег­ это твердые осадки в виде снежинок. Есть несколько видов   облаков,   которые   образуют   воду   в   снег, например,   слоисто­   дождевые   облака   приносят снегопад.   Иней­   это   образующийся   на   земле тончайший слой ледяных кристаллов, и появляется он   тогда,   когда   земная   поверхность   охлаждена   ниже,   чем   температура воздуха.   Иней   также   образуется   на   всех   наземных   предметах,   деревьях   и почве ­Лёд   водный:  донный лёд,   внутриводный   лёд, ледяной покров. Донный лёд,   это   лёд,   который откладывается   на   дне водоема.   Донный   лёд можно обнаружить на дне озер, рек и морей. Донный лед образуется тогда, когда переохлажденная вода кристаллизуется.   Ледяной   покров,   это   не   что   иное,   как   сплошной   лед, который   появляется   при   минусовой   температуре   на   поверхности   рек   или морей, океанов или озер. ­Лёд подземный. Подземные льды ­ это льды, которые находятся в верхних слоях   земной   коры.   Чаще   всего   подземные   льды   встречаются   там,   где присутствуют многолетнемерзлые породы. ­Лёд   ледниковый.   Появляется   ледниковый   лёд   из   большого накопления снега, который имеет природное уплотнение и преобразование. Сухой лёд. Да, я не ошиблась, бывает и такой. «Сухой лёд» ­ это замороженный углекислый газ CO2. При обычных условиях  (атмосферном  давлении  и  комнатной   температуре)   он  переходит в парообразное состояние, минуя жидкую фазу. Данный процесс называется сублимация или возгонка. 5 По   внешнему   виду   он   напоминает   обычный  лёд(отсюда   название).   А сухим   называется   потому,   что   он   вовсе   не   тает,   образуя   воду,   а   сразу переходит   в  газообразное   состояние.   Сухой   лёд   имеет   температуру   ­78оС. Сухой лед начали применять еще в XIXвеке. Французский ученый К. Тидорье получил первый образец сухого льда в 1835 году. В те времена это открытие не   нашло   еще   своего   потребителя   и   только   с   1925   года   в   США   стали применять   «быструю   заморозку»   и   охлаждение   продукции   с   применением сухого льда. 1.3. Интересные факты про лед Много   интересных   фактов   про   лёд,   я   нашла   для   себя.  Первым человеком в мире, который догадался торговать льдом, был Фредерик Тюдор. Молодой   человек,   уроженец   Бостона,   начал   добывать   лед   из   водоема   и продавать   его.  Такого   находчивого   бизнесмена   вскоре   прозвали  «Ледяным королем». Теперь мы знаем, что вода при замерзании увеличивается в размере на 10 %, этот факт объясняет образование ям на дорогах в регионах с холодным климатом,   вода   может   испаряться   под   асфальтом   и   замерзать,   и получившийся лёд делает свое дело. Лед   применяется   в   строительстве.   Например,   Инуитские   племена строят   из   него   свои   жилища­иглу.   Также   в   северных   областях   для привлечения туристов строят ледяные гостиницы. Существует редкое явление природы «Ледяные цветы Арктики». Это невероятно   красивое   зрелище.   Это   чудо   природы   появляется   только   при совпадении   нескольких   природных   факторов:   температуры   воздуха   и температуры поверхности льда. 6 1.4. Лед в жизни человека В нашей повседневной жизни лёд используется во многих сферах. Человек издавна использовал лёд в своих целях. На протяжении долгих тысяч лет, до изобретения холодильников, лёд использовался для хранения продуктов питания. В медицине лёд используют, например, при операциях на сердце, а дома лёд   можно   приложить   к   месту   ушиба.   В   косметологии   используют косметический   лёд.   Лёд   усиливает   кровообращение,   кожа   становится красивой,   свежей,   улучшается   цвет   лица.  Если   жевательная   резинка приклеилась к ткани, ее следует обложить льдом и заморозить до твердого состояния, потом она легко оторвется. Если ребенок не хочет пить горькое лекарство, предварительно можно дать ему подержать во рту кусочек льда – рецепторы   временно   заморозятся,   чувствительность   пропадет,   и   он   не почувствует горечь. Например, если у ребенка заноза, можно на некоторое время к этому месту приложить лёд, произойдет временное обезболивание, и занозу удастся спокойно вытащить. Лёд   оказывает   большое   влияние   на   условия   обитания   и жизнедеятельности   растений   и   животных,   на   разные   виды   хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, 7 изотермических   складов, что   привело   бы   к   гибели   всех   живых   существ   в   реках,   озерах   и   океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.                 Лёд   может   вызывать   ряд   стихийных   бедствий   с   вредными   и   разрушительными   последствиями   ­   обледенение   летательных   аппаратов, судов,   сооружений,   дорожного   полотна   и   почвы,   град,   метели   и   снежные заносы,   речные   заторы   с   наводнениями,   ледяные   обвалы   и   др. Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование льда в различных целях (снегозадержание, устройство ледяных   переправ,   облицовка   хранилищ, ледозакладка   шахт   и   т.п.)   представляют   предмет   ряда   разделов гидрометеорологических   и   инженерно­технических   знаний   (ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение и др.), деятельности специальных служб (ледовая разведка, ледокольный транспорт, снегоуборочная техника, искусственное сбрасывание лавин и т.д.).                Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.         На Руси катались на «санках­ледянках». Готовились ледяные круги, в них вырубали   место   для   сиденья.   Туда   клали   солому,   сено.   В   передней   части ледянки   делали   отверстие   для   веревочки.   Снизу   ледянку   тщательно выравнивали. На таких ледянках и катались наши прабабушки и прадедушки. Изо льда мастера делают настоящие произведения искусства: ледяные кареты, дворцы, замки. Главное   достоинство   сухого   льда   заключается   в   способности   быстро испаряться, переходя из твердого в газообразное состояние. В результате за короткое время высвобождается большое количество холода, который можно  использовать   для   заморозки   различных   продуктов   питания,   включая   рыбу, мясо, грибы, овощи и ягоды. 8 Также   некоторые научились хозяйки   данное использовать для вещество приготовления   кваса   и других газированных напитков.   Это   вполне логично,   поскольку   столь любимые многими пузырьки   представляют собой углекислый газ. Если вы хотите, чтобы цветы дольше радовали вас, насыпьте на поверхность почвы немного сухого льда, который создаст эффект охлаждения   и   поможет задержать момент распускания.       Также  сухой   лед       С   пользуется в популярностью его медицине. помощью можно быстро и эффективно заморозить биологические образцы, чтобы затем подвергнуть их анализу или   поместить   на   хранение   в   специальные   резервуары.   Сухой   лед   также широко   используется   при   перевозке   донорской   крови   и   трансплантатов. Кроме   того,   ранее   жидкая   двуокись   углерода   (наряду   с   жидким   азотом) иногда использовалась для удаления бородавок, папиллом, сухих мозолей и некоторых других дефектов внешности. Искусственный дым, созданный с помощью сухого льда, используют не только во время концертов или на дискотеках – эффектную дымовую завесу, которая стелется по самому полу, несложно организовать и на домашней вечеринке.   Глава 2. Необычные свойства льда 2.1. Проверенные и доказанные свойства льда 9 Мы изучили много материалов про лёд. Из некоторых источников мы  узнали про интересные свойства льда. Сила льда. Замерзая, вода увеличивается в объёме примерно на десятую часть. Это называется   аномалией   воды.   Все   вещества   при   охлаждении   сжимаются.   И только   вода   ведёт   себя   не  «нормально»,  а «аномально»,  она   расширяется, обладая огромной силой. На каждый квадратный метр она давит массой в 2200   кг   –   это   всё   равно,   что   поставить   2200   пакетов   молока   на   ноготь большого пальца. Лёд тает под давлением. Ещё одно аномальное свойство воды – это таяние льда под давлением. Лёд   тает,   испытывая   сжатие.   При   катании   на   коньках   лёд   под   весом конькобежца подтаивает, образуя под лезвиями коньков водяную плёнку, по которой   легко   скользить.   А   вода,   освободившись   от     давления,   вновь замерзает и следов от коньков практически не видно. Поэтому, хотя лед в мороз и сухой, но под коньком он всегда смазан водой. Морозильник без электричества. Задолго   до   открытия   электричества   люди   использовали   лед   для охлаждения   продуктов,   и   даже   научились   готовить   мороженое,   усиливая охлаждающие   свойства   льда   обыкновенной   солью.   Лед   и   соль   составляют холодильную   смесь.   Она   охлаждается   сама   по   себе,   без   затрат   энергии,  в отличии от электрического холодильника. В конце ХVll в. домохозяйка Нэнси Джонсон из США запатентовала первую  машинку для мороженого. Работала она очень просто: в деревянное ведерко засыпали лёд и дешёвую кормовую соль, в смесь помещали металлический патрон с мешалкой, а в него заливали ингредиенты мороженого. Мороженое замерзало, оставаясь вязким благодаря постоянному помешиванию.          На лед или под лед?      Когда мы хотим охладить, к примеру, воду, куда мы ставим сосуд: на лед или под лед?      Многие, не раздумывая, поставят сосуд с водой на лед. Оказывается, так охлаждать   не   годится.   Нагревать   что­либо   действительно   можно   снизу,   а охлаждать, наоборот, сверху. Верхние слои жидкости, прилегающие ко льду, охладившись и став тяжелее, опускаются вниз, а на их место поднимаются другие, еще не остывшие порции воды. Не только жидкости можно охладить сверху: мясо, рыбу, овощи нужно для охлаждения тоже помещать под лед. 10 Ведь они охладятся не столько самим льдом, сколько остуженным воздухом; ведь холодный воздух  тоже течет вниз, не вверх. 2.2. Экспериментальное исследование А вот такое свойство, как образование льда из горячей и холодной воды, то есть «Эффект Мпембы», ещё не совсем доказано. Мы решили опытным путем   проверить   «Эффект   Мпембы».   Для   проведения   эксперимента   мы наполнили две емкости одного объема горячей и холодной водой.  Затем поставили емкости в морозилку. Через 45 минут на поверхности холодной воды образовалась ледяная корка. На поверхности горячей воды – нет.   Опыт   не   подтвердил   Эффект   Мпембы.   Я   стала   искать   ответ   на   мой вопрос  «Почему  у меня не получилось?».  Мы  изучили  несколько  попыток доказательства   этого   свойства   учёными   разных   стран.   Оказалось,   точного доказательства   этому   пока   нет.   Нет   единогласия   среди   учёных.   Данное свойство   льда   поэтому   и   называется   "Эффект   Мпембы",   а   не   "Закон Мпембы", что оно выполняется далеко не всегда. Необходимо, чтобы совпали несколько факторов, таких как плотность воды и наличие в ней определенных примесей и еще много чего. Моя гипотеза о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, не подтвердилась. Заключение В результате проделанной работы мы узнали, что существует несколько видов льда: атмосферный, водный, подземный, ледниковый. Каждый из видов льда по ­ своему красив и полезен людям. Особенно меня поразило то, что существует сухой лёд. Мы узнали о многих свойствах льда: о его огромной, 11 даже разрушительной, силе, о способности охлаждать другие предметы и его таянии   под   давлением.   Поразило   меня   то,   что   люди   широко   используют свойства льда в своей жизни, и часто лёд бывает просто необходим в той или иной ситуации. Также мы узнали о том, нельзя сразу утверждать какие ­ то факты, не проверив   их   достоверность   в   различных   источниках.   Так,     наша   гипотеза «Согласно   «Эффекту   Мпембы»,   горячая   вода   замерзает   быстрее,   чем холодная» не подтвердилась, и  мы убедились в том, что  опытным путем  в домашних условиях подтвердить или опровергнуть достоверность «Эффекта Мпембы»   невозможно.   Эффект   проявляется   только   при   определенных условиях. Из научной литературы мы узнали и то, что «эффект» ­ это ещё не «закон». Список литературы 1. Детская энциклопедия. «Я познаю мир». – М.: ООО «Издательство АСТ», 2. 2001.­557 с.: В. А. Маркин.   Большая   энциклопедия   школьника.   «Планета   Земля».   «Издательство Росмэн­ Пресс», 2001.­ 657 с.: А. Ю Бирюкова. 3. Детская энциклопедия от А до Я.Москва , РОСМЭН ,2009­255с: Стив Паркер. 4. Животный мир нашей Родины. Пособие для учителя начальных классов, Москва ,    Просвещение 1985.­205с: В.П.Герасимов. 5. Мы     и   окружающий   мир;   учебник   2класс   ­   Самара,   «Фёдоров»,2003. Н.Я.Дмитриева, А.Н.Казаков. 6. Нестандартные   интегрированные   уроки   по   курсу   «Окружающий   мир» ­М:ВАКО, 2004 , Н.Т. Брыкина, О.Е. Жиренко. 7.Словарь русского языка, под   ред. Н.Ю.Шведовой, Москва « Русский язык».1989. 12