Исследовательская работа по физике "диффузия"

Муниципальное казенное образовательное учреждение Белоярская средняя общеобразовательная школа  Мошковского района                                                                                           Секция физика НАУЧНО­ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ  РАБОТА по теме: «Исследование процесса диффузии»                                                                     Автор: Семерухин Иван Иванович                                                                                Пенжиева Лейла  Агамыратовна                                                                                 Класс: 7                                                                      Руководитель: Ефимова Марина                                                                                                          Геннадьевна                                                                       Должность: учитель физики  1 Мошково 2018 Оглавление  1. Введение ……………………………………………………………………3­4 2.Основная часть  История открытия диффузии…………………………………………4  Закономерности протекания диффузии……………………………4­5  Значение диффузии……………………………………………………5  Практическая часть Опыт № 1 «Исследование диффузии в жидкостях»………………….6 1. Опыт № 2 «Исследование диффузии в газах»……………………...6­7 2. Опыт №3 « Исследование зависимости скорости диффузии  3. от плотности газов »……………………………....................................7 4. Опыт № 4 «Исследование диффузии в жидкостях 5.  и твердых телах»……………………………………..............................7 6. Опыт № 5  «Исследование  односторонней диффузии»………………8 7. Опыт № 6 «Исследование диффузии с примесями»………………...8­9 8. 9. Социологический опрос «Диффузия и экология»……………………..9 10. Заключение…………………………………………………………………..10 11. Список литературы…………………………………………………………..11 12 Приложение ………………………………………………………………12­18 2 Введение                      Истина — это то, что выдерживает      испытание опытом». Альберт Эйнштейн     Мама меня учила, что стирать одежду белую с цветным, да еще  в горячей воде нельзя.   Вещи   будут   испорчены.   Но   я   решила   проверить,   и   что…?   .Этот эксперимент не забылся. Будучи  в седьмом классе, когда на уроке физики нам дали задание объяснить смысл ряда пословиц, мой опыт мне пригодился. Одной из них была: «ложка дегтя бочку меда портит».  Оказывается, кроме житейского смысла,   практически   каждая   пословица   имеет   смысл   научный.   Деготь   ­   это вещество с резким запахом и он способен при попадании в мед раствориться в нем и распространить свой запах. Поэтому целая бочка меда станет не пригодна для употребления в пищу. После объяснения научного смысла стало понятно, как применить поговорку в жизни: незначительная, но досадная мелочь способна испортить хорошее — доброе начинание, приятное впечатление. Еще учитель физики   сказала,   что   объясняется   взаимодействие   веществ   (меда   и   дегтя) природным явлением диффузией.         Мы заинтересовались этим явлением. Если судить по данной пословице и ситуации, в которую попала я то – диффузия несет вред. Означает ли это, что оно только вредное или есть польза у этого явления и как можно применить в жизни знания об этом явлении? Что бы ответить на эти и другие вопросы, мы решили исследовать процесс диффузии и выяснить как можно больше об этом явлении. Гипотеза: диффузия имеет только отрицательное значение.  Актуальность:  знания о диффузии могут пригодиться  в повседневной жизни, расширяя знания о живой природе. Предмет  исследования – диффузия. Цель   работы  –   изучить   процесс   диффузии   и   факторы,   влияющие   на   её протекание. Задачи:  Изучить информацию о  диффузии в дополнительной литературе; 3 Провести   опыты,   которые   помогут   подтвердить   или   опровергнуть Установить   возможности   практического   применения   результатов Провести соцопрос о роли диффузии в природе;  Описать полученные результаты; Проанализировать   полученную   информацию,   сделать   выводы   о   роли  выдвинутую гипотезу;    диффузии в экологическом равновесии природы;  исследования. Методы исследования: 1. Изучение научной литературы; 2. Эксперимент; 3. Социологический опрос «Диффузия и экология»; 4. Анализ информации и результатов. Для выполнения работы  наметили план: 1  этап  ­ информационный: изучить  литературу  по  данной  теме  в различных источниках ( ноябрь); 2 этап ­ реализация: подобрать необходимое оборудование и  провести опыты, описать   полученный   результат   и   сопоставить   его   с   выдвинутой   гипотезой (декабрь); 3   этап  ­   оценочно   ­   аналитический:   провести   анализ   результатов исследовательской  работы,  сделать  выводы, написать  работу по  данной теме (январь); 4 этап ­ защита: подготовить выступление на защиту данной работы (февраль). Основная часть 1.История открытия диффузии      Еще древнегреческий ученый Демократ (460 г. до н.э.) высказал гениальное предположение о том, что все тела состоят из   атомов,  которые  находятся движении, взаимодействуя между собой, образуют все тела природы.         В 1827 году английский ботаник Роберт Броун наблюдал в микроскоп хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения жидкости и не от её испарения». Видимые только под микроскоп частицы 1 мкм и менее совершали неупорядоченные   независимые   движения,   описывая   сложные   зигзагообразные траектории.   Тогда   Броун   подумал,   не   есть   ли   это   «элементарные   молекулы живых существ», о которых писал знаменитый французский естествоиспытатель Жорж   Бюффон   (1707­1788),   в   книге   по   Естественной   истории.   Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных материалов. «Активные молекулы» оказались повсюду: « в каждом минерале, ­писал Броун,­ который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла  в течении какого­то времени быть взвешенной в воде, я находил, эти молекулы».  4 Качественно объяснил причины броуновского движения   в 1904 году польский   физик   Мариан   Смолуховский.   Удары   молекул   жидкости   о поверхность   взвешенной   в   ней   частицы   приводили   эту   частицу   в   движение. Одновременно с польским физиком теорию этого явления разрабатывал Альберт Эйнштейн.   Причину   броуновского   движения,   заключающуюся   в   непрерывном движение молекул,   подтвердил экспериментально Жан Батист Перрен в 1906 г. [8]                Современное определение   диффузии  (лат. diffusio —распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, приводящее к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объему. [6] 2.Закономерности протекания диффузии Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления Диффузия протекает в  газах, в жидкостях и в твердых телах; Скорость диффузии зависит от температуры и  рода вещества.  смещения равновероятны;    Механизм протекания диффузии 1. Между двумя веществами  возникает четкая  граница раздела двух сред. 2.   Отдельные   частицы   веществ,   находящихся   около   границы,   обмениваются местами.   Граница   между   веществами   расплывается.   Проникнув   между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во все более глубоких слоях. 3.   Граница   раздела   двух   сред   исчезает,   концентрация   частиц   становится однородной. [3] 3. Значение диффузии А) В природе:      ­ Диффузия поддерживает однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов:   азота,   кислорода,   углекислого   газа   и   паров   воды.   При   отсутствии диффузии   произошло   бы   расслоение   под   действием   силы   тяжести:   внизу оказался бы слой тяжелого углекислого газа, над ним– кислород, выше – азот.   ­Благодаря   процессу   диффузии   происходит   питание,   дыхание   животных   и растений.   Основную   роль   в   диффузионных   процессах   в   живых   организмах играет  osmos­толчок)­   проникновение   молекул растворителя   через   полупроницаемую   перегородку   (мембрану)   в   раствор какого­либо вещества. ­ Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоемов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих   водах   за   счет   диффузии   через   их   свободную   поверхность.   Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья   или   ряска,   тонкие   пленки   (бензин,   нефть   и   т.д.)   покрывающие  осмос(от   греч.слова 5 поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. ­А как же дышит человек? Изучая дополнительную литературу, мы обнаружили, что у человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого   эпидермиса   пяток   до   покрытой   волосами   кожи   головы.   Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Переход кислорода из легких в кровь происходит благодаря процессам диффузии.[4] Б) В медицине: ­Боле   30   лет   назад   немецкий   врач   Вильям   Кольф   применил   аппарат «искусственная   почка».   Он   предназначен   для   выведения   из   крови   человека токсинов,   скапливающихся   в   почках   при   их   тяжелом   поражении.   Работа аппарата основывается на выведение вредных веществ из коллоидных растворов благодаря диффузии и разнице между  давлением с двух сторон целлофановой полупроницаемой мембраны.          В нашем организме, например, мембраны кровеносных сосудов постоянно пропускают   вещества   в   обе   стороны.   Таким   образом,   переваренная   пища поступает в кровь, а углекислый газ  выводится из крови через легкие.[7] В) В повседневной жизни: Диффузию можно наблюдать дома достаточно часто: когда пользуемся  духами, распыляем средства для уничтожения в помещении комаров и мух, когда что­то склеиваем или когда пьем чай или кофе. Также засолка, маринование возможно благодаря диффузии.[2] Г)Вредное проявление диффузии:          Не   всегда  диффузия  благо  для  человека.   Дымовые   трубы  предприятий выбрасывают   в   атмосферу   углекислый   газ.   Избыток   углекислого   газа   в атмосфере опасен для живого мира Земли, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет отрицательную роль в загрязнении рек, морей и океанов. Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. [5] Эти   данные   мы   получили   методом   изучения   научной   литературы.   Для проверки   гипотезы   нам   необходимо   провести   исследования   методом эксперимента. Практическая часть Наблюдение явления диффузии.     Для того, чтобы изучать явление, важно знать и понимать как происходить  процесс на молекулярном уровне. С помощью электронного микроскопа мы  пронаблюдали процесс проникновения одного вещества в другое вследствие  хаотичного движения молекул. Примерами веществ были вода и кристаллики  марганцовки. Это наблюдение помогло нам проводить эксперимент на более  осознанном уровне. (приложение 1  скриншот видео файл «диффузия») Опыт №1 «Исследование диффузии в жидкостях» 6 Цель исследования: оценить время протекания диффузии в жидкостях при разной температуре. (фото приложение 2) Приборы   и   материалы:  два   стакана,   сосуд   с   холодной   и   горячей   водой, термометр, секундомер, два пакетика чая.   Ход  работы:    налили   в   один   стакан   холодной   воды,   в   другой   горячей.   С помощью   термометра   измерили   температуру   воды   в   обоих   стаканах.   Затем одновременно   опустили   в   стаканы   чай   и   засекли   время   окрашивания   воды. Данные занесли в таблицу №1 (приложение 3) Выводы:  мы убедились на опыте, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду,   диффузия   протекает   быстрее.   Следовательно,   чем   выше   температура жидкости,   тем   быстрее   движутся   частицы   и   поэтому   быстрее     происходит диффузия. Опыт №2 «Исследование  диффузии в газах» Цель   исследования:  оценить   скорость     протекания   диффузии   в   газах   при разной температуре. (фото приложение 4) Приборы и материалы: исследуемый газ (воздух в помещении), термометр, секундомер,  духи. Ход работы: в непроветренном помещении мы измерили температуру воздуха, с помощью термометра. Затем  разбрызгали духи в одном из углов кабинета, с помощью секундомера измерили   время,  за которое  распространится запах  (в противоположном   углу   комнаты),   с   помощью   рулетки   измерили   расстояние. Проветрив помещение, повторили опыт еще раз. Измерили температуру воздуха ­ она изменилась на 4°С и измерили время, за которое запах распространился из одного угла комнаты в другой. Данные занесли в таблицу 2. (приложение 5) Выводы:  на   опыте   мы   убедились,   если   в   помещении   разбрызгать   пахучее вещество, то его запах распространится по всей комнате.  Это доказывает, что: 1.Молекулы вещества  движутся;  2. Чем ниже температура газов, тем медленнее происходит процесс диффузии. Опыт № 3 « Исследование диффузии в газах разной плотности»  Цель   исследования:   исследовать   зависимость   скорости   диффузии   от плотности газов. (фото приложение 6) Приборы и материалы:  нашатырный спирт, соляная кислота, двусторонняя полая трубка, ватные диски. Ход работы:  нашатырный спирт­ это водный раствор газа аммиака, соляная кислота испаряясь дает газ хлор. В данных жидкостях смочили ватные диски и поместили   их   в   трубку   с   разных   сторон.   При   взаимодействии   этих   газов, образуется   белый   дым,   его   называют   «дым   без   огня».   Замерив,   время   и 7 расстояние, определили скорость распространения частиц данных газов. Данные занесли в таблицу 3.(приложение 7)                                                                              Выводы: скорость движения молекул аммиака больше, чем у хлора. Хлор имеет большую плотность, и поэтому он тяжелее, ему труднее диффундировать. Чем  больше плотность газа, тем   меньше скорость диффузии. Опыт   №4   «Исследование   диффузии   в   жидкостях   и   твердых веществах»(фото приложение 8) Цель исследования:  пронаблюдать процесс диффузии в твердых веществах и жидкостях. Сравнить время протекания диффузии в жидкостях с диффузией в твердых   веществах   (коллоидных   растворах­   растворы   содержащие   в   себе частицы с большим молекулярным весом гели, студни ).  Приборы и материалы:  коллоидный  раствор, стакан  с  водой, перманганат калия (марганцовка), секундомер, термометр. Ход работы:  приготовили коллоидный раствор: 1 ложку желатина опустили в холодную   воду   на   2   часа,   чтобы   порошок   набух,   затем   смесь   нагрели   и растворили желатин, не доводя до кипения (плитка). Когда желатин остыл, в середину  внесли с помощью пинцета кристаллик марганцовки. Затем в стакан с водой такой же температуры, что и у  коллоида, так же добавили марганцовку. С помощью секундомера измерили время протекания диффузии. Данные занесли в таблицу 4 (приложение 9) Вывод:  диффузия   в   жидкостях   протекает   быстрее,   чем   в   твердых   телах (коллоидных растворах). Опыт №5 «Исследование односторонней диффузии» А) Осмос в фасоли (фото приложение 10)   ложка,   целлофановый   пакет, Цель исследования:  наблюдение односторонней диффузии ­ осмоса. Осмос­ процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану Приборы и материалы: фасоль, вода, линейка, мясной фарш, соль, марля, стакан, дистиллированная вода. Ход работы: для выполнения этого опыта мы заранее замочили одну фасоль в воде на сутки. Затем сравнили размеры сухой и замоченной фасоли. Данные занесли в таблицу 5. (приложение 11) Вывод:  Фасоль,   замоченная   в  воде,    играла   роль   мембраны   в  эксперименте. Мембрана, пропускает внутрь фасоли малые молекулы растворителя­воды, но не пропускает в обратную сторону   более крупные молекулы   вещества самой фасоли.    нитрат   серебра,   секундомер, В) Осмос в растворах. (фото приложение 12) 8 Цель исследования:  обнаружение осмоса в растворе с помощью химических реагентов.  Приборы и материал: мясной фарш, раствор поваренной соли, целлофановый пакет, нитрат серебра, азотная кислота, марля для фильтра, дистиллированная вода. Ход работы: Для выполнения  опыта   взяли ложку мясного фарша и добавили к нему 0,5 стакана 10% раствора хлорида натрия (поваренной соли), тщательно перемешали   и   профильтровали   полученную   смесь   через   трехслойную   марлю. Раствор поместили в целлофановый пакет, который выполнял роль мембраны. Затем     провели   пробы:   приготовили   3   стакана   с   дистиллированной   водой: первый     проверили на содержание в воде частиц хлора с помощью нитрата серебра  (под руководством учителя); во второй капнули раствор соли и так же проверили   содержание     частиц   хлора;   в  третий  добавили  2­3  мл.  раствора смеси и проверили на содержание молекул белка с помощью азотной кислоты. Результаты представлены в таблице 6. (приложение 13) Сделав пробы, мы приступили к основному исследованию.  В два стакана с чистой дистиллированной водой поместили по 50 мл раствора смеси,   создали   небольшое   давление,   нажатием   на   содержимое   пакетов.   По истечении   5­7   мин.   капнули   реагенты   в   стаканы.   Результат   представлен   в таблице 7. (приложение 14) Вывод: Тот факт,  что дистиллированная вода побелела, указывает на то, что  через целлофан поступают частицы хлора, а частицы белка задерживаются.  Значит,   частицы белка крупные и  не проходят через мембрану, а более мелкие  проходят. Этот опыт доказал существование односторонней диффузии, очень  важной для питания живых организмов.. Опыт №5 «Исследование диффузии в жидкостях с примесями» Цель исследования: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на протекание диффузии.  (фото приложение 15) Приборы и материалы: термометр ­ 2 шт., секундомер, тарелки ­ 2 шт., вода, растительное масло. Ход   работы:   в   два   стакана     налили   одинаковы   объем   воды   (30   мл)   одной температуры (39 °С). В один стакан добавили подсолнечное масло (20мл), во второй чистой воды   такой же температуры, что и масло­ (20 мл). Опустили термометры   в   жидкости   и   каждые   5   минут   снимали   их   показания.   Данные занесли   в   таблицу   8.   средствами программы  Excel (приложение 17). Вывод:  Медленнее   остывала   вода,   покрытая   пленкой   растительного   масла, значит, наличие различных веществ на поверхности воды нарушает естественные процессы диффузии. Можно с уверенностью сказать, что    нарушение диффузии  (приложение   16)  построили   график   9 сказывается на жизнедеятельности водоемов, если загрязнять их  поверхность и может привести к нежелательным экологическим последствиям. Социологический опрос «Диффузия и экология»  Цель опроса: привлечь   внимание   людей   к   экологической   проблеме,   а  также узнать что они  делают на бытовом уровне. Содержание ( приложение 18) Методика проведения социологического опроса по проблеме экологии  [1] Опрашивались люди по заранее разработанной анкете, на вопросы были даны готовые предполагаемые ответы. Опрос проводился анонимно. Было опрошено 40 человек: школьники  с 7 по 11  класс и  взрослые:   родители (большинство), учителя. По данным опроса построили график (  приложение 19). Результаты социологического опроса показали, что   на вопрос: « Влияет ли диффузия на экологию?»  утвердительно ответили   92  % ,   92 %  затруднились ответить   на   вопрос   «утилизируете   ли   вы   должным   образом   отходы»,   10%­ положительно  и 10% отрицательно.  Проблема свалки в с. Белоярка беспокоит 92% опрошенных, 5% затруднились ответить, 3%,  ответили отрицательно, и это среди взрослых. На вопрос «Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за плату», 20% ответили положительно, в основном учащиеся старших классов. 100%   всех   опрошенных   положительно   ответили   на   вопрос   «Хотите   ли   Вы изменить экологию в лучшую сторону?». На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:  92%   опрошенных     знают   о   явлении   диффузии   и   её   вредном   влиянии   на окружающую среду;  Жители села  задумываются над  проблемой экологии,  хотели бы изменить состояние в селе в лучшую сторону;   Проблема состоит в должной утилизации технологических отходов, которые пагубно влияют на окружающую среду нашего села; Заключение             В работе была поставлена   цель­  изучить процесс диффузии и факторы, влияющие на ее протекание. Проведя ряд экспериментов, делаем вывод:    Диффузия­ взаимное проникновение соприкасающихся   веществ вследствие непрерывного и беспорядочного движения молекул ;   Скорость диффузии зависит от температуры и рода вещества: 10  Наличие   различных   веществ   на   поверхности   воды   нарушает   процессы диффузии, пагубно влияет на экологию окружающей среды;  Осмос   играет   важную   роль   в   жизнедеятельности   живых   организмов, обеспечивая  им питание за счет  односторонней диффузии через мембрану.             Выполнив данную работу, мы поняли, как велико значение диффузии в природе. Существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления но, к сожалению, приходится бороться и с отрицательными проявлениями этого явления.            Исходя   из   выше   сказанного,   можно   сделать   вывод,   что     гипотеза   не подтвердилась.   Диффузия   имеет   как   положительные,   так   и   отрицательные стороны.         Мы поделились со своими одноклассниками информацией по данной теме, продемонстрировали   им  свои     эксперименты.  Думаем,  что   ни  кто   из   них   не будет   стирать   белые   вещи   с   темными,   особенно   в   горячей   воде,   или разбрызгивать сильно пахучие, с резким запахом, вещества в помещении, чтобы не   вызвать   по   меньшей   мере   нареканий   со   стороны   других   людей,   бережнее относиться к природе.   Думаем, что своей работой мы побудили задуматься людей   о  полезной   и  опасной  стороне   диффузии,  а  практическое   применение результатов   исследования,   будет   использоваться   на   факультативных   и элективных  занятиях, с целью  ознакомления с  явлением диффузии.     Про себя можем  сказать, нам было интересно работать по данной теме. Список литературы 1. Алексеев   С.В.,   Груздева   М.В.,   Муравьёв   А.Г.,  Гущина   Э.В.   Практикум   по экологии. М. АО МДС, 1996 г. 2. Перышкин А.В.Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2012. – 189 с. 3. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. 1995 г. 11 4. Рыженков А. П.Физика Человек Окружающая среда. М.:Просвещение, 1996. – 48 с. 5. Энциклопедия для детей.Т.19. Экология: В 33 т./ Гл. ред. Володин В. А. – М.: Аванта +, 2004 – 448 с. 6. http://www.Wikipedia.org 7. https://ru.wikipedia.org/ 8.Ильченко   В.Р   «Просвещение»2005г. 9. https://quote­citation.com/author/albert­einstein  10. https://www.google.ru/search?newwindow   Перекрестки   физики   химии   и   биологии.   М. 12