Научно-исследовательская работа по физике "ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ  КАЗЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ                ТАШАРИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА НАУЧНО­ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ  ФИЗИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ ВОДЫ Выполнила: Санарова Раиса ученица 8а класса Ташаринской СОШ Руководитель: Суворова Людмила  Петровна учитель физики высшей  квалификационной категории 1 МОШКОВО­2018г.                                                                                                                     СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1.Введение__________________________________________________3 2. Теплоемкость воды_________________________________________4  3. Уникальность воды ­ это плотность.__________________________ 6 4. Поверхностное натяжение  воды______________________________7  5. Исследования, основанные на капиллярном свойстве  воды______ 10 6.Проверка опыта  Мпембы____________________________________10 7. Исследование температуры замерзания чистой и соленой воды___ 11 8. Зависимость температуры кипения воды от концентрации  растворённой в ней соли______________________________________12 9.Зависимость температуры кипения  от  давления________________13 10.Зависимость температуры кипения  от времени________________14 11. Заключение______________________________________________16 12.Список литературы________________________________________17                                                                                                           2 Введение    Вода ­ самое необыкновенное вещество в мире.      Человек, часто не замечает окружающие его предметы из­за обыденности, а зачастую именно они скрывают много интересного и загадочного. Вода ­ самое необыкновенное вещество в мире, не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий.       Вода   очень   необходимое   вещество   для   нашей   планеты.   Без   неё   на   земле невозможна жизнь, без неё не проходит ни один геологический процесс. Вода присутствует не только в организме живых существ, но и во всех веществах на Земле   ­   в   минералах,   горных   породах.   Молекулы   воды   обнаружены   в межзвёздном   пространстве.   Изучение   уникальных   свойств   воды   постоянно открывает людям всё новые тайны и загадки. Вот в этом я и хочу хоть немного разобраться. Я слышу и забываю, Я вижу и запоминаю,                                                         Я делаю и постигаю                     Китайская мудрость Актуальность  моей   работы:   вода   обладает   свойствами,   которых   у   нее   не должно быть, но которыми она обладает. Цель работы: с помощью опытов проверить некоторые  свойства воды 3 Задачи работы:1.Опытным путём проверить теплопроводность, поверхностное натяжение, капиллярность воды, выполнимость эффекта Мпембы;  2. Исследовать зависимость температуры замерзания воды, температуры кипения воды от различных факторов. 3. Проанализировать результаты, сделать выводы Предмет исследования: физические свойства воды Объект исследования: вода Практическая значимость:  изученные свойства воды помогут обогатить моё представление о ней, а полученные знания пригодятся в повседневной жизни. Методы исследования: ­ Анализ различных источников информации о свойствах воды ­ Наблюдение, опыт.            Вода обладает многими интересными свойствами, резко отличающими ее от всех других жидкостей. И если бы вода вела себя «как положено», то Земля стала бы просто неузнаваемой. Для воды, будто законы не писаны! Но, благодаря ее капризам, не могла бы родиться и развиваться жизнь.   Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О) Радиус молекул воды ­ 0,138 нм. Распространение воды на Земле:  95%­мировой  океан, 2%­ подземные воды, 2% ­ ледники, 0,02% ­ рек. Водная оболочка Земли называется гидросферой. Тело человека почти на 63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в  водных растворах. 4 Вода – это прозрачная жидкость без запаха, цвета, вкуса. Вода текуча. Легко меняет форму, трудно сжимается, сохраняет свой объем, обладает переменной плотностью, высокой теплоёмкостью, имеет большое поверхностное натяжение                                                                                             Теплоемкость воды               Удельная теплоемкость  воды  равна 4200 Дж/(кг∙0С). Теплоемкость воды аномально высока, в 10 раз больше, чем у железа, и в 3300 раз больше, чем у воздуха. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей. Из этого вытекает уникальная   способность   воды   сохранять   тепло.   Подавляющее   большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды   способствует   тому,   что   у   человека   нормальная   температура   тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью.     Вода, обладая огромной теплоёмкостью, является хорошим теплоносителем и поэтому   используется   для   обогрева   жилых   помещений,   теплые   океанические течения согревают многие северные регионы планеты, принося тепло из южных широт. Большая удельная теплоемкость воды определяет климат планеты. Вода нагревается   значительно   медленнее   суши,   забирая   большое   количество солнечного тепла, а остывая, отдаёт его и тем самым “выравнивает” климат. Полученное тепло она сохраняет дольше, чем воздух и земля, если бы не вода, Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня.       А от космического холода предохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. 5 Я провела опыт с шариком надутым воздухом и шариком наполненным водой.   Поднесла их к пламени свечи. Шарик с воздухом   быстро лопнул, а шарик с водой в течении 5 минут оставался целым.                        Благодаря большой удельной теплоемкости  воды,  шарик заполненный водой, забирает тепло пламени,  и в течении 5 минут оставался  целым                                         Уникальность воды ­ это плотность.          Плотность большинства жидкостей, кристаллов и газов ­ при нагревании уменьшается   и   при   охлаждении   увеличивается,   вплоть   до   процесса 6 кристаллизации или конденсации. Но это не характерно для воды. Плотность воды   при   охлаждении   от   100   до   4  0С   возрастает,   как   и   у   подавляющего большинства жидкостей. Вода при +4°С имеет наибольшую плотность, равную 1000кг/м3, а не при температуре замерзания 00С. При дальнейшем охлаждении воды от+4°С до 00С   плотность   уменьшается и вода   расширяется. Благодаря этому осенью и зимой в глубоких водоемах конвекция происходит своеобразно. Вода, охлаждаясь сверху, опускается вниз, на дно, только до тех пор, пока ее температура   не   снизится   до   +4   °С.     В   результате   в   водоемах   зимой   более охлажденная   вода,   как   менее   плотная,   поднимается   вверх,   а   вблизи   дна сохраняется   температура   +4°С.   Эта   особенность   воды   позволяет   водным организмам   хорошо   переносить   зиму.   А   вот,   если   бы   лед   имел   плотность большую, чем вода, т.е. лед был бы тяжелее воды, он опускался бы на дно, и водоем   промерзал   бы   полностью.   Но   лед   плавает   на   поверхности   воды! Благодаря этому возможна жизнь в реках и озёрах в зимнее время.       В результате кристаллизации  плотность воды  уменьшается на 9%, тогда как у большинства других веществ при   кристаллизации плотность увеличивается. Поэтому лед, имея меньшую плотность 900 кг/м3, занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности. 7 Такое   необычное   поведение   плотности   воды очень   важно для поддержания жизни на Земле. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, 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, 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.      Вода обладает отличительным свойством: замерзая, изменяет свою структуру и   объем.   Я   решила   это   проверить.   Наполнила   водой   пластиковый   стакан, пластиковую бутылку, стеклянную банку и пластиковый стакан с соленой водой, температура воды во всех сосудах была 19°С. В 08.30 вынесла все сосуды на улицу ­20°С. В 12ч. чистая  вода в открытых сосудах замерзла и увеличилась в объеме, вылезая  из стакана. 1020 1000 980 960 940 920 900 880 860 840 изменения плотности воды  В 2 часа дня  температура на улице была ­13°С. Я заметила, что  вода замерзла  в закрытой стеклянной банке и  разорвала ее. Пластиковая бутылка осталась без 8 видимых   изменений,   а   соленая   вода   с   концентрацией   50%   не   замерзла.                                 Поверхностное натяжение  воды             Из   всех   жидкостей   у   воды   самое   высокое   поверхностное   натяжение. Поверхностное   натяжение   воды   ­   это   наличие   на   любой   водной   поверхности тонкой   и   прочной   пленки   из   ее   молекул.   В   жидкости   сила   поверхностного натяжения действует так, что получается шарик.  В   нашей   жизни   мы   часто   встречаемся   с проявлениями поверхностного натяжения воды : ­Когда мы видим, как вода с кончика крана капает а не льётся, приобретая шарообразную форму – это поверхностное натяжение воды;  9 ­ Когда капля дождя в полете принимает округлую слегка вытянутую форму – это поверхностное натяжение воды;  ­     Когда   вода   на   водонепроницаемой   поверхности   принимает   шарообразную форму – это поверхностное натяжение воды;  ­   Рябь, возникающая при дуновении ветра на поверхности водоемов, так же является проявлением поверхностного натяжения воды;  ­   Вода в космосе принимает шарообразную форму благодаря поверхностному натяжению;  ­  Насекомое водомерка держится на поверхности воды благодаря именно этому свойству воды;  ­  Если на поверхность воды аккуратно положить иглу, она будет плавать;              10 ­Радужные мыльные пузыри, так же являются прекрасным проявление поверх   Исследования основанные на капиллярном свойстве и текучести воды       Высокая сила поверхностного натяжения у воды обуславливает способность воды   подниматься   по   тонким   капиллярам.  Это   явление     можно   наблюдать   в пористых   телах.   Например,   мы   вытираем   руки   бумажной   салфеткой.   Вода уходит   с   рук   по   волокнистым   капиллярам   бумаги.   В   живых   организмах   по капиллярам движется кровь.            Если   взять   салфетку   и   ее   конец   опустить   в   воду,   то   вода       быстро поднимается   вверх   по   капиллярам.     Чем   тоньше   капилляры,   тем   выше   вода может по ним подняться.                                             11 Проверка опыта  Мпембы           Известно,  что,  в  1936  году   студент   из   Танзии   Эристо   Мпемба   основал «Эффект   Мпембы»,   парадокс   который   гласит   что,   горячая   вода   замерзает быстрее холодной.        Я решила опытным путем проверить выполняется ли эффект Мпембы на практике. многие проверяли этот эффект и получали противоречивые показания. Возможно была допущена ошибка.  Я взяла два мерных стаканчика и налила в них по 50мг воды. В один я налила горячую воду 89 °С, в другой холодную  18°С. Выставила оба стаканчика на мороз. На протяжении 4 часов 50 минут я наблюдала за замерзанием воды в обоих сосудах. Первой замерзать начала холодная вода, и это логично. Но около 3   часов   50   минут   после   начала   опыта   положение   изменилось.   Горячая   вода неожиданно начала замерзать быстрее, и уже в 4 часа 30 минут стало ясно что горячая вода, действительно, замерзает быстрее. Я сделала вывод, что эффект Мпембы действительно выполняется. 12 Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса: 1) Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая свой объем и замерзает быстрее. 2)   холодная   вода   начинает   замерзать   сверху,   тем   самым   ухудшая   процессы конвенции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начнет замерзать снизу.     Кроме того, я заметила, что вид льда из горячей воды заметно отличается от вида льда из холодной.  Лед из горячей воды более прозрачен.                                        Лёд из горячей воды             Лёд из холодной воды                           Исследование температуры замерзания чистой  и  соленой воды Каждую   зиму   во   время   гололёда     дворники   посыпают   замёрзшие   тротуары песчано­солёными   смесями.   При   этом   лёд   начинает   таять.   Температура замерзания воды и таяния льда ­ 0°С. Почему же тогда лёд на тротуаре тает и при отрицательной температуре. Я  решила   провести  исследования  зависимости   температуры   замерзания  воды. Налила в пластиковые мензурки воду: чистую и соленую. Вынесла мензурки на мороз   температура   воздуха     ­20°   и   зафиксировала   время   и   температуру жидкостей. Полученные результаты приведены в таблице °С. Масса, Начальна Концентр Температ Время Время Время,   в 13 г 50 50 Чистая вода 1.Соленая вода я         t °С ация соли,% ура замерзани я, °С. начала замерзани я полного замерзан ия 20 20   0    10      0 ­15 11­00 11­00 течении которого вода замерзала 1ч.10 мин 12ч.10 21 3 ч. Проанализировав данные результаты,  можно сделать вывод, что с увеличением концентрации   соляного   раствора,   температура   замерзания   воды   уменьшается. Поэтому   соляным   раствором   воды   можно   воспользоваться   зимой   для протирания оконных стекол и лобового стекла автомобиля.   Зависимость температуры кипения воды от концентрации растворённой в ней соли Опыт   я   проводила   в   один   день   на   протяжении   2   часов.     Все   измерения фиксировались   при   постоянном   атмосферном   давлении.   Фиксировала температуру воды на момент закипания.   Масса воды, г. 1000 1000 1000 1000 Масса   растворённой соли, г. Концентрация соли, % Температура кипения, °С 0 40 80 120  0  4  8  12 100 101 102 103 14 103.5 103 102.5 102 101.5 101 100.5 100 99.5 99 98.5 Столбец2 0 40 80 120 Из данного эксперимента я делаю  вывод, что чем выше концентрация соляного раствора, тем выше и температура кипения. Значит, чтобы уменьшить время приготовления пищи необходимо варить её в солёной   воде.   Варка   будет   происходить   при   более   высокой   температуре   и, следовательно, быстрее сварится                          Зависимость температуры  кипения  от  давления         В данном эксперименте  я хотела проверить справедливость утверждения о том, что температура кипения зависит от давления на поверхность воды. В две колбы я налила равное количество  воды по 150 мл.  15 Из сосуда выкачивается воздух.    Кипение в открытом сосуде.                         Вода   в   первой   открытой   колбе   нагревалась   над   пламенем.   Начальная температура воды   24°С.  Закипела вода  при температуре 100°С. через  6 минут. Вторую колбу соединила с насосом  и выкачивала воздух из колбы, тем самым уменьшила   давление   над   поверхностью   воды   и   заметила,   что   вода   быстро закипела. Сразу измерила температуру воды, она оказалась такой же, как и перед началом кипения   32°С.     Вывод: температура кипения воды зависит от давления, чем меньше давление над   поверхностью   воды,   тем   меньше   температура   кипения   и   чем   больше давление,   тем   температура   кипения   выше,   т.е.   воду   можно   кипятить   при температуре   больше   100°  C.   Это   используется   в   кастрюлях   скороварках,   в 16 медицинских   автоклавах,     при   высоком   давлении   можно   достичь   лучшей стерилизации.                Зависимость температуры  кипения  от времени Я   решила   проверить   изменяется   ли   температура   кипения   в   течении определенного   промежутка   времени.   В   кастрюлю   налила   0,5литра   воды.   К удивлению я обнаружила, что с течением времени температура кипения воды немного увеличилась. Время фиксировала с начала кипения Температура   кипения, °С. 100 100,3 100,7 101,1 Масса воды,г Время кипения,мин. 500 500 500 500 101.2 101 100.8 100.6 100.4 100.2 100 99.8 99.6 99.4 5 минут 5 10 15 20 10минут 15 миут 20 минут Зависимость   закипания  прокипяченной  воды, проточной и воды с раствором соли.        Мне стало интересно какая вода закипит быстрее: прокипяченная, проточная или соленая вода? 17 Я взяла три одинаковых металлических кружки налила по 100г.   кипяченной, соленой воды (1ст.ложка соли) и воды из крана. Начальная температура воды во всех сосудах была 22°С. Поставила  их  на одну камфорку и  фиксировала время закипания. Все кружки были открыты.   Вода из крана, кипяченная вода  закипели  через 6 минут. Соленая вода  через закипела 5мин.30сек. и температура кипения соленой воды была выше на 3°С  Из этого опыта делаю вывод: соленая вода закипает немного быстрее.                                          Заключение Выводы:  Вода   отличается   от   других   жидкостей   своими   аномальными свойствами.  Вода существует в трех состояниях ­ жидком, твердом и газообразном. При замораживании вода расширяется Плотность льда меньше плотности воды Плотность воды меняется с изменением температуры Вода ­ хороший растворитель Вода является хорошим теплоносителем Благодаря своим капиллярным свойствам, вода может подниматься вверх Благодаря высокому поверхностному натяжению, вода удерживает иголку на  плаву Благодаря меньшей плотности льда зимой в водоемах вода не промерзает до  дна, и жизнь продолжается. Благодаря хорошей теплопроводности вода дает тепло планете в темное  время суток. Вода пребывает везде в том или ином состоянии. 18 «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя не опишешь, не понимая, что ты такое. Ты просто необходима для жизни, ты и есть жизнь… Ты ­ величайшее в мире богатство…»                                                                         Антуан де Сент­Экзюпери Вода ­ это вещество, которое создало нашу планету, и наша жизнь без нее невозможна !!! Литература 1. Эффект Мпембы: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная 2. Над какой загадкой бьются ученые со времен Аристотеля? Автор: Анатолий  Пастухов 3. «Занимательная физика», Б.Ф. Перельман Москва «Просвещение» 1990 год.  4. Вода ­ Википедия. 5. Д.Э. Многоликая вода. Автор: Тамара Клейтон. Москва. 2013 год 6. Чем уникальна вода? Вопросы и ответы по физике :: Класс!ная физика. 7. Аномалии физических свойств воды/ Удививтельные свойства воды – Гейзер. 8. Основные свойства воды­ Всё самое интересное!  9. Аномалии воды­ это… Что такое АНОМАЛИИ ВОДЫ?  10. Парадокс воды.  19 11. ВОДА­ это… Что такое ВОДА? 12. Большая энциклопедия живой природы. Автор: Дэвид Бернн. Москва  «Махан». 2013год 20