Научно-исследовательская работа на тему "Гляциология. Эксперименты с водой в твёрдом состоянии".

Министерство образования Республики Башкортостан Бакалинский районный  отдел образования 1 Научно­исследовательская работа Гляциология. Эксперименты с водой в твёрдом состоянии. Выполнил: ученик 7 класса  МОБУ СОШ с.Куштиряково Каримов Айназ Ильфирович Научный руководитель: учитель географии  Калимуллин Наил Рикансович 2 Куштиряково­2016 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ______________________________________________________ 4  ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ______________________________________________ 5  1. Что изучает гляциология? _____________________________________ 5 2. Почему выпадает снег, а не лёд? _______________________________  8 3. Особенности природы льда ____________________________________ 9 4. Эксперименты с водой в твёрдом состоянии: ____________________  10  Увеличение объёма воды при отрицательных температурах.__  10  Собственные методы, предотвращающие разрушения ёмкости воды  при замерзании ________________________________________  11 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ _____________________________________________  12 3 Цели и задачи:  Выяснить, какая наука занимается изучением льда  Уточнить природу образования снега  Изучить свойства льда  Выяснить значение снега и льда для природы  Определить на сколько процентов увеличивается объём воды при замерзании  Провести эксперименты,  предотвращающие разрушения ёмкости воды 4     Введение.  Наступила зима, начались морозы. В школе огромные окна покрыто цветами  мороза.  Какие­то причудливые ветки, листья и цветы красивым узором извивались на стекле окна.  На улице шёл снег, и красивые снежинки пушистым покровом  ложились на землю.  Я долго любовался их красивыми очертаниями и обратил  внимание на  острые края шестиугольных звёздочек…      В конце концов, я заинтересовался снегом и льдом.  У меня появилось много  вопросов:        Почему выпадает снег, а не лёд?  Почему снежинки имеют форму шестиугольных звёздочек?  Почему лёд не тонет в воде?  Почему в больших водоёмах замерзает лишь верхний слой воды?  Почему лопается посуда со льдом?  Существует ли наука, которая занимается изучением воды в твёрдом  состоянии. Чтобы ответить на эти вопросы я изучил соответствующие книги, искал  информацию в интернет­сайтах. Вместе с руководителем решили провести  собственный эксперимент. 5 Основная часть. 1. Что изучает гляциология?      В России область многолетней мерзлоты занимает 10 млн.км. квадрат, или  более 50 % всей площади страны «рис 1»                                   Рисунок 1 её  Действительно,  Россия северная страна, и на большей территории зимы долгие и суровые.  Львиная доля природных ресурсов, прежде всего полезных ископаемых, приходится именно на зону  с экстремальным климатом. Здесь живут люди и занимаются добычей полезных ископаемых, прокладывают  трубопроводы, автомобильные и железные дороги, строят дома.  Сложной  проблемой является инженерно­техническое строительство в этих районах.  Нарушение режима многолетней мерзлоты крайне отрицательно сказывается на  различных сооружениях, вызывая ряд неблагоприятных явлений: пучения грунта,  перекашивание и растрескивание зданий и даже их разрушение.  Многолетняя мерзлота, наряду с отрицательным воздействием, играет и  некоторую положительную роль. В летний период она способствует увлажнению  почвы, а следовательно, и произрастанию с/х культур.  Кроме того, мерзлота  позволяет изучать давно вымерших представителей далёкого прошлого: мамонтов,  шерстистых носорогов и др.  Так, у мамонта, раскопанного в 1901 г. на Берёзовке  (приток Колымы)  сохранились кожа, шерсть, мясо и растительность, служившая  пищей  и застрявшая у него на зубах.    Снег в нашей стране выпадает в зимний период. «Нигде влияние снежного  покрова так не велико, как в России,  так как нигде нет равнины настолько  обширной, отдалённой от морей и покрытый снегом зимой», ­ писал около 100 лет  назад климатолог А.И.Воейков.  Снег, благодаря своей рыхлости, легко сдувается  ветром и создает заносы на дорогах, препятствуя движению в населённых пунктах. 6 Снег хорошо сохраняет тепло, тем самым предохраняет землю от  промерзания,  фруктовые и ягодные сады, озимые посевы от гибели.  Снег – прекрасный  источник влаги на полях.  Для его накопления на них проводятся мероприятия по  снегозадержанию.   Снег – основной источник питания рек в нашей стране.     Я задался вопросом: «существует ли наука,  которая изучает воду в твёрдом  состоянии?» Нашёл ответ из горной  энциклопедии.      Гляциология (от лат. glacies ­ лёд и греч.logos – слово, учение) ­  наука о всех  формах льда на земной поверхности (ледники, снежный покров, ледяной покров  водоёмов и рек и др.)  и о подземных льдах; синоним общего ледоведения.  Гляциология тесно связана с физикой, широко пользуется методами  климатологии, геологии и физической географии. Практическое значение  гляциологии обусловлено тем, что большое количество пресной воды на Земле (27­ 29 млн. км3) заключено в ледниках. Изучение ледников позволяет более  рационально использовать водные ресурсы рек ледникового питания, помогает  предотвращать катастрофы, связанные с динамикой ледников (сели, наводнения и  др.), учитывать их при проектировании горных предприятий. Основы гляциологии  как науки о ледниках разработал швейцарский естествоиспытатель О. Соссюр в  сочинении "Путешествие в Альпы". В России изучение ледников началось во 2­й  половине 19 в., когда П. П. Семёнов­Тян­Шанский описал ряд ледников Тянь­ Шаня, а И. В. Мушкетов возглавил так называемую ледниковую комиссию  Русского географического общества. Вслед за этим было проведено изучение  оледенения Кавказа, Средней Азии и Алтая. В 1878 экспедиция под руководством  В. Ф. Ошанина открыла крупнейший в стране горно­долинный ледник на Памире,  названный впоследствии именем А. П. Федченко.     До середины 19 века в Европе не верили, что в Сибири грунты не оттаивают  и  летом.  Очевидно, так думал и купец Фёдор Шергин, живший в Якутске. Ему  надоело возить воду с Лены летом, особенно лёд зимой.  Он решил выдолбить  колодец, как у себя в Рязани. Долбить мерзлую землю всё равно что гранитную  скалу.  Вот глубина 15 м, а в колодце земля мёрзлая, и вода в нём разве только в  виде ледяных стебельков да малых линзочек попадается.  Слишком дорого стоил  этот колодец, намного дороже, чем возить воду с реки или оттаивать лёд.  Шергин  уже решил бросить эту затею. Но местные жители и заезжие учёные уговорили  Шергина  продолжать пробивать мерзлоту до полной победы над ней. При жизни  Шергин довёл глубину колодца до 116 м, но так и не победил мерзлые грунты.   Умер купец, а его шахта с 1827г. и по сей день служит изучением мерзлоты 7 сибирских грунтов.  Рядом с шахтой уже после революции возник академический институт мерзлотоведения, проводящий различные эксперименты в Шергинской шахте.                                                                                                    Рисунок 2 Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН — институт Сибирского Отделения Академии Наук,  организованный в 1960 году «рис 2».  Основным направлениям научной  деятельности института является изучение вечной мерзлоты. История института  началась с маленькой исследовательской станции, построенной стараниями  Михаила Ивановича Сумгина, заложившего основы науки о мерзлоте. В Советском Союзе существовало несколько подобных станций с подземными выработками, в  которых изучались температура и свойства мёрзлых пород. Существует такое  «подземелье» и под зданием института мерзлотоведения в Якутске. Сейчас оно не  используется для исследований, поэтому часть подземной шахты расчистили и  превратили в музей. Музей, посвящённый мерзлоте, во многих смыслах интересен.  Во­первых, подземный, во­вторых, ледяной, в­третьих, в качестве постоянной  экспозиции в нём выступает сама северная природа. Посетители спускаются на  глубину 12 метров и попадают в настоящее царство Снежной королевы. Через  специальные «окошки» можно рассмотреть слои мёрзлых пород, которым уже  около десяти тысяч лет. Кровля и стены подземелья покрыты ледяными  кристаллами необыкновенных форм. В подземном музее встречаются  палеонтологические находки, и выставлена гипсовая копия знаменитого  мамонтёнка Димы. 90­килограммовый «малыш» поранил ногу и утонул в яме,  наполненной водой, несколько десятков тысяч лет назад. Удивительный якутский  климат на 100% сохранил его тушу. 8 2. Почему выпадает снег, а не лёд?  Снежинки ­ одно из прекраснейших созданий природы. Нам бы пришлось много потрудиться, чтобы создать форму, уравненной с  красотой формы снежинки. В снегопад миллионы снежинок падают на землю, и  среди них нет двух одинаковых. 9 Снег, как известно, ­ это просто замерзшая вода. Почему тогда не выпадает лёд,  имеющий шарообразную форму? Дело в том, что снежинки образуются не из  дождя, а из водяного пара. Для выяснения этого факта в своё время, было  потрачено много миллионов долларов. А вот белый цвет снежинок обусловлен тем, что снежинки – маленькие кристаллики льда особой формы, поэтому свет  отражается от них и делает их белоснежными. При замерзании все молекулы в  капельке льда выстраиваются особым порядком, в результате чего образуется  специфическая геометрическая фигура, которая является кристаллом. Молекула  воды, как говорит нам об этом наука химия, состоит из двух атомов водорода и  одного атома кислорода. При замерзании такой состав выстраивается в  треугольник или шестиугольник. Каждый такой кристаллик очень мал и невидим  без специального оборудования. Такие мини кристаллики движутся в воздухе за  счёт воздушных потоков, которые совершают восходящие и нисходящие движения. В процессе такого перемещение происходит их группирование вокруг частички пыли или капельки воды. Постепенно это образование нарастает, собирая воедино сотни кристалликов. Через время, такое скопление становится достаточно тяжёлым, и падает на землю. Так выпадает снег «рис 3». Размер выпадающих снежинок может быть самым разнообразным, порой достигая трёх сантиметров в диаметре. Размер снежинки обусловлен температурой воздуха, при которой происходило её формирование. Чем ниже была температура, тем меньше будет и  размер снежинки.               Рисунок 3 3. Особенности природы льда. Лёд – это  замерзшая вода. Чистая вода замерзает при температуре  ниже 0  градусов.  Наблюдая за льдом,  я выяснил следующие свойства: 10  Прозрачный (увидел, как новогодние лампочки пропускают свет  внутри льда).  Бесцветность (не обладают цветом).  Твёрдость (изготавливают фигурки из льда)  Плавучесть (на р.Ик весной льды плавают на поверхности). Прочитав литературу, я убедился, что лёд обладает текучестью, в результате чего  образуются ледники в горах, айсберги на равнинах (например, в Гренландии).  Эти свойства льда многим детям известно и этим никого не удивишь. Меня  удивило тот факт, что вода при замерзании увеличивается в объёме. Молекулы  всех веществ при охлаждении сжимаются. Молекула воды тоже сжимается при  опускании температуры до +4 градусов, а в дальнейшем вновь расширяется. Самая плотная и тяжелая вода при температуре  +4 градуса. Это свойство воды имеет  огромное значение в природе. Плотная вода в водоёмах опускается вниз,  препятствуя замерзания до дна. Относительно лёгкий лёд образуется на  поверхности, предохраняя нижние слои от потери тепла. 4. Эксперименты с водой в твёрдом состоянии.    Увеличение объёма воды при отрицательных температурах. Вода при замерзании увеличивается в объёме. Я поставил задачу ­ на сколько  процентов увеличивается в объёме. В интернет­сайтах пишут от 9 до 11 %.  С  руководителем решили провести собственный эксперимент. Для этой цели взяли  1,5 литровую пластиковую бутылку. Заполнили 1,3 литра воды (оставили пустое      11                                      Рисунок 5  пространство для увеличения объёма)  и в горизонтальном положении оставили на улице перед входом в школьный подвал. В  течение суток вода превратилась в лёд. Используя закон Архимеда, нашли объём  льда в бутылке.                    Рисунок 4             Для этого лёд погрузили  в ведро,  заполненную до верхней кромки с водой  «рис 4». При погружении вода вытекает из ведра в пустую емкость. Измерили  объём воды из ёмкости с помощью мензурки «рис 5».  Количество воды оказалась  1420  мл.  Находим увеличение объёма: Используя  пропорцию, находим проценты: 1420 мл. – 1300мл. = 120 мл. 120 мл./1300мл.*100%= 9,2%   Собственные методы, предотвращающие разрушения ёмкости  воды при замерзании. 12 Увеличение объёма воды при замерзании, наносит огромный ущерб  промышленности, сельскому хозяйству и в быту. Ранние заморозки уничтожают  посевы с/х культур, в саду погибает урожай. В растениях лёд разрушает живые  клетки. Именно по этой причине в наших краях не могут расти вечнозелёные  деревья. В промышленности и ЖКХ разрушаются трубы, заполненные водой,  выходят из строя радиаторы автотранспорта и т.д. Я однажды заметил, что  лопнула ёмкость с водой в бане. Емкость треснула по швам сварки. После этого я  задумался – нельзя ли как­то предотвратить разрушение ёмкости с водой? Сильные заморозки начинаются в октябре, и вода ночью покрывается льдом. Кому охота  вылить воду с октября месяца. Кроме того в учреждениях в том числе и в нашей  школе имеются противопожарные ёмкости с водой. Как показывает практика,   пожары часто бывают в осенне­зимний период из­за замыкания электропроводов.     Я обратил внимание на то, что существуют тела мягче, чем стенки ёмкости для  воды. С руководителем решили провести эксперимент. Взяли 3 трёхлитровые  стеклянные банки и наполнили водой.                                                                                                            Рисунок 7                           Рисунок 6  Положили внутрь банки деревянный брусок и пенопласт по отдельности, а в одной  кроме воды ничего не было «рис 6». Выставили на улицу и через 2 дня увидели  следующий результат: одна банка лопнула по окружности «рис 7». Это банка с  водой без инородных тел. Две другие остались целыми. Значит лёд, увеличиваясь в размерах, привело к сжиманию дерева и пенопласта. Теперь я знаю,  как спасти от  кратковременных  морозов металлические ёмкости. Положить в ёмкость с водой  полено древесины или пенопласт.  Заключение. 13 Поставленные цели и задачи были выполнены. Выводы моей исследовательской работы:  Наука гляциология играет большую роль в России  В г.Якутске находится единственный в мире  институт мерзлотоведения  Особые свойства плотности воды позволяют надёжно укрывать воду от  мороза, не давая промёрзнуть ей до дна и погубить всё живое подводного  мира.  Снег образуется из водяного пара, а не из водяных капель. Слой снега  укрывает землю и тем самым создает как бы естественный парник, очень  важный для растений и животных. Кроме того,  снег источник питания рек в  нашей стране.   Из эксперимента я убедился, что объём воды при замерзании увеличивается  на 9%   Лёд в замкнутом пространстве приносит огромный ущерб народному  хозяйству   Предотвратить  разрушение ёмкости воды при кратковременных морозах  можно, если положить более мягкие инородные тела на поверхность воды  (древесина, пенопласт и тому подобные) 14 Литература. 1. Бондарёв В.П. Геология. –М.:ФОРУМ:ИНФРА­М,2007. 2. Пармузин  Ю.П. Живая география:Кн.для учащихся.­М.:Просвещение,  1993 3. Ферсман А.Е. Занимательная минералогия, «Дет.лит.»1975 Интернет­сайты.