Прекрасный физический мир воды

МОУ Тереньгульская средняя общеобразовательная школа МО «Тереньгульский район» Ульяновской области Работа по физике на тему:

«Прекрасный физический мир воды»

Выполнил:

Мутрисков Денис Владимирович Ученик 10 «Б» класса Руководитель: Чунаева Вера Васильевна, учитель физики высшей категории Тереньга 2013

Введение

Актуальность темы исследований:

1. Исключительная ценность и обыденность воды в нашей повседневной жизни.

2. UNESCO объявила 2013;й год Годом Воды.

3. Недавно у Якова Исидоровича Перельмана случился юбилей — в этом году ему бы исполнилось 130 лет!

4. Распространение и проводка физических знаний и фактов о воде в школы и в массы в целом.

Ценность исследований:

1. Проверить некоторые свежие факты и идеи на основе опытов.

2. Проверить и улучшить собственные навыки обращения с физическими приборами, умение оформлять работы, делать выводы, применять данные знания на практике и проводить опыты и эксперименты в целом.

3. Привлечь внимания к физике, так как она слабо распространена среди учащихся средних школ.

4. Продемонстрировать ценность воды, как наиважнейшей вещи в нашей жизни, научиться беречь её.

Для достижения поставленной цели решал следующие задачи:

1. Изучение литературы по данной теме.

2. Изучение материалов в Интернете по данной теме.

3. Применение теоретических знаний на практике, при выполнении лабораторных работ.

4. Подготовка выступления перед аудиторией, перед своим классом и учителями.

Научная новизна исследования может быть сформирована в следующих положениях:

1. Соединение теоретических знаний и материалов с житейской практикой.

2. Связь с экологией.

Практическая значимость результатов:

Данные исследования будут доведены до учащихся нашей школы на научной конференции в апреле, планируется публикация статьи в газете «Тереньгульские вести»

С данными опытами, популяризацией и пропагандой научных знаний я уже выступил перед учениками своего класса и запланировано выступление перед четвероклассниками, с целью популяризации физики.

Выполняя данную работу, я внёс посильный вклад в изучении свойств воды.

Аннотация Вода в школьной программе изучается по физике, химии, биологии, географии. Вода окружает нас повсюду. Сам человек на 85% состоит из воды. Наша страна занимает 1-е место в мире по запасам питьевой воды и 2-е место по объёму пресной воды.

Вода обладает замечательными свойствами, не похожими на свойства других жидкостей:

1. — Самая большая удельная теплоёмкость среди всех веществ

2. — Расширяется при замерзании

3. — Водяные реки не промерзают зимой до дна!

4. — Самый большой коэффициент поверхностного натяжения.

Эти и многие другие свойства позволяют всему живому существовать, процветать и развиваться на Земле.

Организация Объединённых Наций по вопросам образования, науки и культуры. (UNESCO) провозгласила 2013 г. годом водного сотрудничества. Страны мира должны объединить свои усилия для того, чтобы сделать водные ресурсы доступными для всех жителей планеты, заботиться об экологии воды.

На территории российского посёлка Тереньга протекает две реки: Тереньгулька и Баромытка. Также имеется пруд. В районе есть несколько целебных родников: Бездонный колодец, Ильин колодец, Серебряный источник.

С водой можно провести множество интересных опытов. Самые интересные из них собраны в книге «Занимательная физика» Я. И. Перельмана.

Перельман Яков Иссидорович закончил свой жизненный путь в блокадном Ленинграде: он умер мучительной голодной смертью. В эти дни Ленинград празднует освобождение от блокады (27 января 1944 года).

Поэтому я решил повторить опыты Перельмана, и выступить перед классом, тем самым, продолжая работу, начатую Перельманом по популяризации физики, а заодно и исследовать некоторые свойства воды.

Рассмотрев данный вопрос в разных источниках я нашёл много интересных фактов на эту тему. Опыты повторил, свойства воды исследовал, выполнив пару экспериментов и 4 лабораторных работы.

Все результаты я привожу в своей работе.

Часть 1. Свойства воды:

Почему вода — вода?

Этот вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом деле, разве вода — это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан? Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, на которой миллионы лет назад зародилась жизнь, — это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, — это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, — и это вода. Прекрасное, невоспроизводимо бесконечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере. Этот великий художник природы — вода.

Горные цепи сложены гигантскими толщами сотен различных горных пород, и геологи знают, что большинство из них создано величайшим строителем природы — водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочайшие горы, расстилаются бескрайние равнины, их создает великий преобразователь — вода.

Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода.

Почему же одно из бесчисленных химических соединений, молекула которого состоит всего из 3-х атомов, — простая окись водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?

Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. Это надо понимать буквально. Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Она удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энергии будущего. Она удивительна своими самыми обычными свойствами. Простое химическое соединение с простейшей формулой Н₂О заняло особое место на нашей чудесной планете благодаря изумительному сочетанию необычайных свойств.

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос, конечно, странен. Ведь вода кипит при нормальном атмосферном давлении при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при этих условиях и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы Цельсия, условно обозначенной 100° С. Также известно, что температура кипения воды зависит от наличия примесей. Это следует проверить.

Что нужно, чтобы лед растаял?

335 кило-джоулей на килограмм чистого льда. Гораздо больше, чем для плавления такого же количества любого другого вещества. Исключительно большое значение удельной теплоты плавления 335 Дж на 1 г льда — также аномальное свойство воды. При замерзании 1 кг воды такое же количество тепла снова выделяется. Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревает землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме, к жестоким морозам. Летом наоборот — вода поглощает избыток тепла, и тем самым не даёт поверхности земли перегреться. Именно благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существуют осень и весна.

Что такое снежинки?

Сростки ледяных кристалликов, образовавшиеся при конденсации водяного пара в верхних слоях атмосферы, где очень низкая температура.

Почему же они такие красивые?

В кристаллической решетке льда есть плоскости, в которых атомы кислорода расположены так, что образуют правильные шестиугольники. Наверное, с этим и связана чаще всего встречающаяся шестилучевая форма изящных звездочек-снежинок. Изумительная красота и бесконечное разнообразие форм снежинок, их поразительная симметрия вдохновили многих ученых на исследования этой удивительной загадки природы. Были получены десятки тысяч фотографий снежинок в самых разнообразных условиях: и высоко в облаках, и у земли, и на крайнем севере, и на юге — всюду, где только может идти снег. Кроме огромного множества самых разнообразных форм гексагональной симметрии, встречаются и пластиночки, и столбики, и игольчатые формы. Сотни различных типов снежинок обнаружили ученые. Но если быть очень точными, то придется признать, что совершенно одинаковых снежинок не существует. В бесконечном многообразии каждая хоть чем-нибудь да отличается по форме и размеру. (Рис. 1, Рис. 2)

Не правда ли, что эти фотографии просто прекрасны? Без сомнения, что эта красота зависит от бесконечной изменчивости условий образования и роста снежинок в атмосфере. С нежной красотой снежинки связано еще много неразгаданного в природе.

Рис. 1. Снежинки Рис. 2. Иней на деревьях

Почему вода «мокрая»?

Вода не очень «мокрая», если, считать, что этот шутливый вопрос относится к способности воды смачивать другие тела. Большинство жидкостей гораздо «мокрее» воды. Вода с трудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные поверхности. Водой не намочишь парафин. Капли воды скатываются с поверхности многих полимерных материалов: телефона, полиэтилена и др. Спирт же, например, или керосин очень хорошо смачивают почти любые тела. Это объясняется тем, что силы взаимодействия между молекулами воды так велики, что вода собирается в капли там, где другие жидкости растекаются. Это свойство воды причиняет много мороки в обыденной жизни и в технике: загрязненные жиром или маслами руки водой не отмоешь. Из-за этого и было изобретено мыло. Химиками было синтезировано много специальных веществ — «смачивателей», чтобы воду сделать «мокрее».

Может ли вода течь вверх?

Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках — капиллярах — вода может подняться на высоту до нескольких метров.

Чем это объясняется?

Еще одной замечательной способностью воды — ее исключительно большим поверхностным натяжением. Молекулы воды на ее поверхности испытывают действие сил межмолекулярного натяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает линейная сила, стягивающая поверхность жидкости. У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение составляет 73 мН/м (миллиньютона на метр).

Эта сила и придает мыльному пузырю, падающей капле и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются. Она поднимает воду в почве, стенки тонких пор и отверстий в ней, наоборот, хорошо смачиваются водой. Вряд ли вообще было возможно земледелие, если бы вода не обладала этой исключительной особенностью.

Часть 2. Занимательные опыты с водой

Для поиска интересных и занимательных опытов с водой я использовал научно-популярную литературу Якова Иссидоровича Перельмана, «Беседы по физике» Михаила Ивановича Блудова, «Лабораторию Кванта», и Интернет. Основную часть опытов я нашёл в «Занимательной физике» Я. И. Перельмана. Вот что мне удалось найти интересного в этой замечательной книге:

1) Бумажная кастрюля

2) Копейка, которая в воде не тонет

3) Вода в решете

4) Сухим из воды

5) Лёд, не тающий в кипятке

Опыт № 1: Бумажная кастрюля

Взгляните на эту восхитительную картину слева вверху: яйцо варится в воде, налитой в бумажный колпак! «Но ведь бумага сейчас загорится и вода зальёт лампу» , — скажете вы. Попробуйте же сделать опыт, взяв для него плотную пергаментную бумагу и надёжно прикрепив её к проволоке. Вы убедитесь, что бумага нисколько не пострадает от огня. Причина в том, что вода может быть нагрета в открытом сосуде только до температуры кипения, т. е. до 100 градусов; поэтому нагреваемая вода, обладающая к тому же большой теплоёмкостью, поглощая избыток теплоты бумаги, не даёт ей нагреться заметно выше 100 градусов, т. е. настолько, чтобы она могла воспламениться. Бумага не загорается, если даже пламя лижет её.

К тому же роду явлений относится и печальный опыт, который невольно проделывают рассеянные люди, ставящие самовар без воды: самовар распаивается. Причина понятно: припой сравнительно легкоплавок, и только тесное соседство воды спасает его от опасного повышения температуры. Нельзя также нагревать запаянные кастрюли без воды. В старых пулемётах Максима нагревание воды предохраняло оружие от расплавления.

Вы можете, далее, расплавить, например, свинцовую пломбу в коробочке, сделанной из игральной карты. Надо только подвергать действию пламени именно то место бумаги, которое непосредственно соприкасается со свинцом: металл, как сравнительно хороший проводник тепла, быстро отнимает от бумаги тепло, не давая ей нагреться заметно выше температуры плавления, т. е. 335 градусов (для свинца); такая температура недостаточна для воспламенения бумаги.

Опыт № 2: Копейка, которая в воде не тонет

Оказывается, благодаря нашей любимой физике, существуют такие вещи, как не тонущая копейка! В этом вы легко убедитесь, если проделаете несколько легко выполнимых опытов. Начнём с более мелких предметов — с иголок. Кажется невозможным заставить стальную иглу плавать на поверхности воды, а между тем это не так трудно сделать. Положите на поверхность воды лоскуток папиросной бумаги, а не него — совершенно сухую иголку. Теперь остаётся только осторожно удалить папиросную бумагу из-под иглы. Делается это так: вооружившись другой иглой или булавкой, слегка погружают края лоскутка в воду, постепенно подходя к середине; когда лоскуток весь намокнет, он упадёт на дно, игла же будет продолжать плавать. При помощи магнита, подносимого к стенкам стакана на уровне воды, вы можете даже управлять движением этой плавающей на воде иглы.

При известной сноровке можно обойтись и без папиросной бумаги: захватив иглу пальцами посередине, уроните её в горизонтальном положении с небольшой высоты на поверхность воды.

Вместо иглы можно заставить плавать булавку (то и другое — не толще 2 мм), лёгкую пуговицу, мелкие плоские металлические предметы. Наловчившись в этом, попробуйте заставить плавать и копейку.

Причина плавания этих металлических предметов та, что вода плохо смачивает металл, побывавший в наших руках и потому покрытый тончайшим слоем жира. Оттого вокруг плавающей иглы на поверхности воды образуется вдавленность, её можно даже видеть. Поверхностная плёнка жидкости, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на иглу и тем поддерживает её. Поддерживает иглу также и выталкивающая сила жидкости, согласно закону плавания: игла выталкивается снизу с силой, равной весу вытесненной ею воды.

Всего проще добиться плавания иглы, если смазать её маслом; такую иглу можно прямо класть на поверхность воды, и она не потонет.

Опыт № 3: Вода в решете

Оказывается, что и носить воду в решете возможно не только в сказке. Знание физики поможет исполнять такое классически невозможное дело. Для этого надо взять проволочное решето сантиметров 15 в поперечнике и с не слишком мелкими ячейками (около 1 мм) и окунуть его сетку в растопленный парафин. Затем вынуть решето из парафина: проволока окажется покрытой тонким слоем парафина, едва заметным для глаз.

Решето осталось решетом — в нём есть сквозные отверстия, через которые свободно проходит булавка, — но теперь вы можете, в буквальном смысле слова, носить в нём воду. В таком решете удерживается довольно высокий слой воды, не проливаясь сквозь ячейки; надо только осторожно налить воду и оберегать решето от толчков.

Почему же вода не проливается? Потому что, не смачивая парафин, она образует в ячейках решета тонкие плёнки, обращённые выпуклостью вниз, которые и удерживают воду. (Рис. 7)

Такое парафинированное решето можно положить на воду, и оно будет держаться на ней. Значит, возможно не только носить воду в решете, но и плавать на нём.

Этот парадоксальный опыт объясняет ряд обыкновенных явлений, к которым мы чересчур привыкли, чтобы задумываться об их причине. Смоление бочек и лодок, смазывание салом пробок и втулок, окрашивание масляной краской и вообще покрытие маслянистыми веществами всех тех предметов, которые мы хотим сделать непроницаемыми для воды, а также и прорезинивание тканей — всё это не что иное, как изготовление решета вроде сейчас описанного. Суть дела и там и тут одна и та же только в случае с решетом она выступает в необычном виде.

Опыт № 4: Сухим из воды

Положите монету на большую плоскую тарелку, налейте столько воды, чтобы она покрыла монету, и предложите гостям взять её прямо руками, не замочив пальцев.

Эта, казалось бы, невозможная задача довольно просто решается с помощью стакана и горящей бумажки. Зажгите бумажку, положите её горящей внутрь стакана и быстро поставьте стакан на тарелку близ монеты, дном вверх. Бумажка погаснет, стакан наполнится белым дымом, а затем под ним сама собой соберётся вся вода с тарелки. Монета же, конечно, останется на месте, и через минуту, когда она обсохнет, вы сможете взять её, не замочив пальцев.

Какая сила вогнала воду в стакан и поддерживает её на определённой высоте? Атмосферное давление. Горящая бумажка нагрела в стакане воздух, давление его от этого возросло, и часть газа вышла наружу, когда бумажка погасла, воздух снова остыл, но при охлаждении его давлении ослабело, и под стакан вошла воды, вгоняемая туда давлением наружного воздуха.

Вместо бумажки можно пользоваться спичками, воткнутыми в пробочный кружок, как показано на этом рисунке (Рис. 8):

Весьма нередко приходится и слышать и даже читать неверное объяснение этого старинного опыта. А именно, говорят, что при этом «сгорает кислород» и потому количество газа под стаканом уменьшается. Такое объяснение грубо ошибочно. Главная причина только в нагревании воздуха, а вовсе не в поглощении части кислорода горящей бумажкой. Это следует, во-первых, из того, что можно обойтись и без горящей бумажки, а просто нагреть стакан, сполоснув его кипятком. Во-вторых, если вместо бумажки взять смоченную спиртом вату, которая горит дольше и сильнее нагревает воздух, то вода понимается чуть не до половины стакана; между тем известно, что кислород составляет только одну пятую всего объёма воздуха. Наконец нужно иметь в виду, что вместо «сгоревшего» кислорода образуется углекислый газ и водяной пар; первый, правда, растворяется в воде, но пар остаётся, занимая отчасти место кислорода.

Опыт № 5: Лёд, не тающий в кипятке

Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в неё кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лёд легче воды), придавите его свинцовой пулей, медным грузиком и т. п.; при этом, однако, вода должна иметь свободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовой лампочке так, чтобы пламя лизало лишь верхнюю часть пробирки.

Вскоре вода начнёт кипеть, выделяя клубы пара. Но странная вещь: лёд на дне пробирки не тает! Мы имеем перед собой словно маленькое чудо: лёд, не тающий в кипящей воде…

Разгадка кроется в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остаётся холодной; она кипит только вверху. У нас не «лёд в кипятке» а «лёд под кипятком». Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остаётся в верхней части пробирки. Течения тёплой воды и перемешивание слоёв будут происходить лишь в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоёв. Нагревание может передаваться вниз лишь путём теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

Часть 3. Познавательные и интересные факты из «Занимательной физики» Я. И. Перельмана:

Факт № 1: Как мы пьём?

Неужели и над этим можно задуматься? Конечно. Мы приставляем стакан или ложку с жидкостью ко рту и «втягиваем» в себя их содержимое. Вот это-то простое «втягивание» жидкости, к которому мы так привыкли, и надо объяснить, Почему, в самом деле, жидкость устремляется к нам в рот? Что её увлекает? Причина такова: при питье мы расширяем грудную клетку и тем разрежаем воздух во рту; под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Здесь происходит то же самое, что произошло бы с жидкостью в сообщающихся сосудах, если бы над одним из этих сосудов мы стали разрежать воздух: под давлением атмосферы жидкость в этом сосуде поднялась бы. Наоборот, захватив губами горлышко бутылки, вы никакими усилиями не «втянете» из неё воду в рот, так как давление воздуха во рту и над водой одинаково.

Итак, строго говоря, мы пьём не только ртом, но и лёгкими; ведь расширение лёгких — причина того, что жидкость устремляется в наш рот.

Факт № 2: На лёд или под лёд?

Желая нагреть воду, мы помещаем сосуд с водой над пламенем, а не сбоку от него. И поступаем вполне правильно, так как воздух, нагреваемый пламенем, становится более лёгким, вытесняется со всех сторон кверху и обтекает наш сосуд.

Следовательно, помещая нагреваемое тело над пламенем, мы используем теплоту источника самым выгодным образом.

Но как поступить, если мы хотим, напротив, охладить какое-либо тело с помощью люда? Многие, по привычке, помещают тело надо льдом, — ставят, например кувшин молока поверх льда. Это нецелесообразно: ведь воздух над льдом, охладившись, опускается вниз и заменяется окружающим тёплым воздухом. Отсюда практический вывод: если хотите остудить напиток или кушанье, помещайте его не на лёд, а под лёд.

Поясним подробнее. Если поставить сосуд с водой на лёд, то охладится лишь самый нижний слой жидкости, остальная же часть будет окружена неохлаждённым воздухом. Напротив, если положить кусок люда поверх крышки сосуда, то охлаждение его содержимого пойдёт быстрее. Охлаждённые верхние слои жидкости будут опускаться, заменяясь тёплой жидкостью, поднимающейся снизу, пока не охладится вся жидкость в сосуде

С другой стороны, охлаждённый воздух вокруг льда также будет опускаться вниз и окружит собой сосуд.

Один важный момент: Чистая вода охлаждается при этом не до 0 градусов, а только до температуры 4 градусов Цельсия, при которой она имеет наибольшую плотность. Но на практике и не встречается надобность охлаждать напитки до нуля.

Факт № 3: Почему лёд скользкий?

На гладко натёртом полу легче поскользнуться, нежели на обыкновенном полу. Казалось бы, то же самое происходить на льду, т. е. гладкий лёд должен быть более скользок, нежели лёд бугорчатый, шероховатый.

Но если вам случалось везти нагруженные ручные санки через неровную, бугристую ледяную поверхность, вы могли убедиться, что, вопреки ожиданиям, сани проскальзывали по такой поверхности заметно легче чем по гладкой. Шероховатый лёд более скользок, чем зеркально гладкий? Это объясняется тем, что скользкость льда зависит главным образом не от гладкости, а то совершенно особой причины: оттого, что температура плавления льда понижается при увеличении давления.

Разберём, что происходит, когда мы катаемся в санях или на коньках. Стоя на коньках, мы опираемся на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь целиком давит вес нашего тела. Если вы вспомните сказанное в главе второй о давлении, то поймёте, что конькобежец давит на лёд со значительной силой. Под большим давлением лёд тает при пониженной температуре; если, например, лёд имеет температуру -5 градусов Цельсия, а давление коньков понизило точку плавления льда, попираемого коньками, более чем на 5 градусов, то эти части льда будут таять). Что же получается? Теперь между полозьями коньков и льдом находится тонкий слой воды, — неудивительно, что конькобежец скользит. И как только он переместит ноги в другое место, там произойдёт то же самое. Всюду под ногами конькобежца лёд превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лёд; один советский физик назвал его «единственным скользким» телом в природе". Прочие тела гладки, но не скользки.

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, гладкий или шероховатый лёд более скользок. Мы знаем, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Ясно, что во втором случае: ведь здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лёд, тем обильнее плавление и, следовательно, лёд тем более скользок (если только полоз достаточно широк; для узкого полоза коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо — энергия движения расходуется здесь на срезывание бугорков).

Понижением точки таяния льда под значительным давлением объясняется и множество других явлений обыденной жизни. Благодаря этой особенности льда отдельные куски его смерзаются вместе, если их сильно сдавливать. Мальчик, сжимая в руках комья снега при игре в снежки, бессознательно пользуется именно этим свойством ледяных крупинок (снежинок) смерзаться под усиленным давлением, понижающим температуру их таяния. Катая снежный ком для снеговика, мы опять-таки пользуемся указанной особенностью льда: снежинки в местах соприкосновения. в нижней части кома, смерзаются под тяжестью надавливающей на них массы. Вы понимаете теперь, кончено, почему в сильные морозы снег образует рассыпающиеся снежки, а снеговик плохо лепится. Под давлением ног прохожих снег на тротуарах постепенно уплотняется в лёд: снежинки смерзаются в сплошной пласт.

Теоретически можно вычислить, что для понижения токи таяния льда на 1 градус Цельсия весьма значительное давление в 130 кг на квадратный сантиметр. Производят ли сани или конькобежец такое огромное давление на лёд? Если распределись вес саней (или конькобежца) на поверхность полозьев (или коньков), то получатся числа гораздо меньшие. Это доказывает, что ко льду прилегает вплотную далеко не вся поверхность полоза, а лишь незначительная часть её.

При теоретическом расчёте предполагается, что при плавлении и лёд, и вода находятся под одинаковым давлением. Автор же описывает примеры. Когда вода, образующаяся при плавлении, находится при атмосферном давлении. В этом случае требуется меньшее давление для понижения точки таяния льда.

Факт № 4: Задача о ледяных сосульках

Случалось ли вам задумываться над тем, как образуются ледяные сосульки, который мы часто видим свешивающимися с крыш?

В какую погоду образовались сосульки: в оттепель или в мороз? Если в оттепель, то как могла замёрзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться вода на крыше?

Вы видите, что задача не так проста, как кажется сначала. Чтобы могли образоваться ледяные сосульки, нужно в одно и то же время иметь две температуры: для таяния — выше нуля и для замерзания — ниже нуля.

На самом деле так и есть: снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его до температуры выше нуля, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, потому что здесь температура ниже нуля. (Конечно, мы говорим не о том случае образования сосулек, который обусловлен теплотой отапливаемого под крышей помещения.)

Представьте такую картину. Ясный день; мороз всего в 1−2 градуса. Солнце заливает всё своими лучами; однако же эти косые лучи не нагревают землю настолько, чтобы снег мог таять. Но на склон крыши, обращённый к Солнцу, лучи падают не полого как на землю, а круче, под углом, более близким к прямому. Известно, что освещение и нагревание лучами тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью, на которую они падают. (Действие лучей пропорционально синусу этого угла; для случая, изображённого на рисунке снизу, снег на крыше получает тепла в 2,5 раза больше, нежели равная площадь снега на горизонтальной поверхности, потому что синус 60 градусов больше синуса 20 градусов в 2,5 раза.) Вот почему скат крыши нагревается сильнее и снег на нём может таять. Оттаявшая вода стекает и каплями свисает с края крыши. Но под крышей температура ниже нуля, и капля, охлаждаемая к тому же испарением, замерзает. На замёрзшую каплю натекает следующая, также замерзающая; затем третья капля, и т. д.; постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В другой раз при такой же погоде эти ледяные наплывы ещё удлиняются, и в результате образуются сосульки, вырастающие наподобие известковых сталактитов в подземных пещерах. Так возникают сосульки на крышах сараев и вообще не отапливаемых помещений.

Та же причина вызывает на наших глазах и более грандиозные явления: ведь различие в климатических поясах и временах года обусловлено в значительной степени изменением угла падения солнечных лучей.

Солнце от нас зимой почти на таком же расстоянии, как и летом; оно одинаково удалено от полюсов и экватора (различия в расстоянии настолько ничтожны, что они не имеют значения). Но наклон солнечных лучей к поверхности Земли близ экватора больше, чем у полюсов; летом этот угол больше, чем зимой. Это вызывает заметные различия в температуре дня и, следовательно, в жизни всей природы.

Факт № 5: Тройная точка вещества

Точка пересечения кривых плавления и парообразования называется тройной точкой. Названа она так потому, так как при определённых сочетаниях давления и температуры некоторые количества вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии находятся в контакте, то без подведения или отвода тепла количество вещества, находящегося в каждом их трёх состояний, не изменяется.

Из диаграммы состояний вещества видно, что переход вещества при нагревании из твёрдого состояния в газообразное может совершиться, минуя жидкое состояние. Переход кристалл — жидкость — газ при нормальном атмосферном давлении происходит лишь у тех веществ, у которых давление в тройной точке ниже этого давления. Те же вещества, у которых давление в тройной точке превышает атмосферное, в результате нагревания при атмосферном давлении не плавятся, а переходят в газообразное состоянии, происходит сублимация.

Например, при атмосферном давлении твёрдая углекислота при нагревании не плавится, а сублимирует. Это объясняется тем, что тройной точке соединения CO₂ соответствует давление, примерно в пять раз большее атмосферного давления.

Поскольку тройной точке соответствует вполне определённая температура, она может служить опорной точкой термометрической шкалы. Оказывается что температура тройной точки воды равна 273,16 K (т. е. 0,01 ?С). Это позволило ввести в Международной системе единиц следующее определение единицы термодинамической (абсолютной) температуры (1 K): кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

вода свойство физический

Диаграмма состояния воды

Часть 4. Интересные опыты с водой, взятые из книги «Беседы по физике» Михаила Ивановича Блудова

Опыт 1. Возьмите два одинаковых сосуда. В один положите лёд при 0 градусов Цельсия, в другой налейте такое же количество воды при 0 градусов Цельсия и по термометру наблюдайте за постепенным их нагреванием в комнате (при температуре воздуха около 20 градусов Цельсия). Если через? часа вода нагреется до 4 градусов Цельсия, то весь лёд растает лишь через 5 часов.

Подумайте, как на основании этих данных вычислить теплоту плавления льда.

Опыт 2. (По описанию Блэка.) «Я взял два одинаковых сосуда с плоским дном и поставил их на горячую плиту, налив 8 унций воды при 20 градусах Цельсия. Оба сосуда начали кипеть через 3? мин, и через 18 мин вся воды выкипела». Вычислите теплоту парообразования воды.

Вы можете повторить опыт, пользуясь одним сосудом. Постарайтесь объяснить причину расхождения между значением теплоты парообразования воды, вычисленным из опыта и приводимым в учебнике физики.

Часть 5. Лаборатория «Кванта»

Опыт № 1 Рябь на поверхности воды

Оказывается, благодаря силам поверхностного натяжения возникают так называемые капиллярные волны, т. е. рябь на воде. Наблюдать их можно при помощи той же пипетки. Наполните тарелку водой и, держа пипетку на небольшом расстоянии от её поверхности, капайте воду — быстро разбегающиеся концентрические волны и будут волнами поверхностного натяжения. (Вообще, механизм образования и распространения волн на воде — вещь не простая. Здесь участвуют и сила тяжести, и поверхностные явления. Но для объяснения происхождения мелкой ряби вполне можно использовать модель упругой плёнки.)

Существует легенда о том, что в древности ловцы жемчуга, добывавшие его со дна Эгейского моря, перед тем, как нырнуть, набирали в рот немного оливкового масла. Потом, уже находясь на дне, они выпускали масло, которое поднималось на поверхность и образовывало спокойное «окно», уничтожая рябь на поверхности. Проникающий через «окно» свет позволял ловцам лучше ориентироваться на дне моря.

Вот ещё одно интересное наблюдение. «В штилевую погоду на спокойной поверхности моря ясно видны своеобразные узоры, напоминающие муар… Приглядевшись, легко заметить, что в пределах более яркого цветного фона возникает рябь и что светлые пятна и полосы на этом фоне соответствуют участкам поверхности моря, на которых рябь погашена» , — писал известный геофизик академик В. В. Шулейкин. Под его руководством были проведены опыты по измерению коэффициента поверхностного натяжения морской воды методом отрыва конуса. Они показали, что там, где существует рябь, коэффициент такой же, как у чистой воды, а в области светлых пятен — существенно меньше. Отсюда был сделан вывод. что рябь на поверхности моря гасится плёнками жира или каких-то других веществ. Правда, объяснить это оказалось делом не простым.

Как показали исследования, поверхностные плёнки гасят, в основном, небольшие волны, но они могут также препятствовать появлению пены на гребнях волн во время шторма. И эта сравнительно скромная помощь может сыграть свою роль: «для практики важно погасить лишь пенистые гребни, представляющие иногда серьёзную опасность для корабля или, тем более, для спускаемой шлюпки» (В.В. Шулейкин).

Опыт № 2 Какую форму имеет капля?

Ответ на этот вопрос зависит от целого ряда обстоятельств. Если бы всё определялось только силами поверхностного натяжения, капля всегда принимала бы такую форму, при которой её поверхность минимальна, т. е. форму шара. В условиях земного тяготения под действием силы тяжести капли чаще всего получаются сплюснутыми, лишь очень маленькие капельки остаются сферическими. а нельзя ли исключить силу тяжести, скомпенсировать её какой-нибудь ещё силой?

В 1843 году бельгийский физик Плато поставил опыт, который вскоре получил его имя и вошёл во все учебники физики. Плато подобрал концентрацию раствора спирта в воде таким образом, что плотность раствора оказалась равной плотности оливкового масла, и ввёл в раствор каплю масла. В этом случае архимедова сила выталкивания уравновешивает силу тяжести капли, а поверхностное натяжение обусловливает её сферическую форму.

Интересно, что в состоянии невесомости можно получить большие капли-шары различных жидкостей. Такие капли наблюдались, например, во время опытов по электросварке в космосе. Состояли они из расплавленного металла.

В домашних условиях можно повторить опыт Плато, используя касторовое масло и воду. Плотность масла чуть-чуть меньше плотности воды, поэтому если капать в него чистую воду, то медленно опускающиеся водяные капли будут иметь практически шаровую форму. Капли легко окрасить в разные цвета акварельными красками, и тогда в стакане с маслом возникает картина, напоминающая висящие разноцветные шары.

Боле трудный, но и более эффектный опыт получается с жидкой эпоксидной смолой и раствором соли. Насыпав на дно банки соль, можно получить раствор с убывающей по высоте концентрацией, а следовательно, и плотностью. В таком растворе капля смолы будет висеть на определённой высоте. Рецепт окраски капли предоставляем выбрать самим экспериментаторам.

Опыт № 3 След от высохшей капли

Одно из загадочных на первый взгляд явлений, связанных со смачиванием, возникает при высыхании капли какого-либо раствора. сделаем такой несложный опыт — поместим на стеклянную пластинку кали раствора соли (не очень концентрированного) и дадим им высохнуть. Естественно, на месте капель образуются светлые пятнышки соли. Так вот, загадочно то, что соль осаждается не равномерным слоем, а в виде чередующихся колец. Оказывается, причиной тому — скачкообразный характер высыхания капли. Для объяснения этого явления мы приведём отрывок из книги Я. Е. Гегузина «Капля» (М.: Наука, 1973), которую, кстати сказать, очень советуем прочитать:

" С каплей происходит следующее. Вода со всей её поверхности испаряется равномерно. Легко понять, что по мере испарения влаги концентрация растворённой соли будет возрастать, и раньше всего кристаллики начнут выпадать там, где избыточная концентрация соли будет наибольшей. Это будет с самой тонкой части капли, т. е. вдоль её периметра. Именно вдоль периметра кристаллики и выпадут. Жидкость капли, смачивая выпадающие кристаллики, как бы приклеивается к ним. Поэтому капля, теряя жидкость, должна менять свою форму, становиться более плоской — ведь её объём уменьшается, а периметр остаётся неизменным.

В начале процесса высыхания форма капли, лежащей на стекле, была равновесной. Это означает, что из всех возможных форм осуществилась та, при которой энергия поверхности, граничащей с воздухом и стеклом, — наименьшая при данном объёме капли…

Чем больше испаряется влаги, тем больше искажается форма капли, и на каком-то этапе капля оторвётся от кристалликов на периметре и примет равновесную форму. А затем — всё сначала… пока капля не испарится, оставив после себя пятно, состоящее из концентрических колец кристалликов соли."

Часть 6. Краткая биография Якова Исидоровича Перельмана

Яков Исидорович Перельман (Родился 4 декабря 1882 года, в городе Белосток 18 марта 1942, Ленинград, СССР) — российский, советский учёный, популяризатор физики, математики и астрономии, один из основоположников жанра научно-популярной литературы и основоположник занимательной науки, и автор термина «научная фантастика». Не путать с Григорием Перельманом

По образованию был лесоводом, профессий имел несколько, главная — популяризатор науки: не имея никаких научных наград и званий, писал прекрасные книги для школьников.

Счастливо пережил репрессии 1930;х, и умер от голода в начале блокады Ленинграда, до последнего дня обучая разведчиков, матросов и пехоту, куда указывает иголка, плавающая в воде, и где самое уязвимое место у танка/бревна/рельса/чего угодно.

Там же создал прекрасный музей, который, к несчастью, уничтожили фашисты.

А ещё он предложил законопроект о вводе декретного времени. Так что именно ему мы обязаны тем, что до 2010 года просыпались на час раньше, чем положено по этому нашему поясному времени.

Книжки:

В своих книгах Перельман давал ответы на вопросы, возникающие в голове у думающих тогда школьников: Почему небо голубое? Как возникают миражи? Почему в дырке ничего нет?), разоблачал мифы, проверял на правдоподобность «стимпанковские» машины Жюля Верна, предлагал задачи, решив которые, юный читатель мог потешить своё собственное «я». Кроме того, в «Занимательной физике» полностью раскрыта тема вечного двигателя.

Была в «занимательных» книгах ещё одна особенность: каждое новое издание сопровождалось огромным количеством примечаний въедливого редактора, разоблачающего неточности научных выводов автора. В более поздних изданиях появлялись примечания нового редактора, ещё более дотошного, который заметил ошибки в примечаниях своего предыдущего коллеги, вот ведь как!

Примечания вставлял и сам Перельман. Всё дело в том, что серия этих книг была задумана и начала верстаться ещё в конце XIX века. И если в алгебре или геометрии с тех времён изменилось не так уж много, то химия, астрономия и физике за последующие полсотни лет шагнули таким семимильным шагом, что книги просто не успевали перевёрстывать. Поэтому пришлось ограничиваться сносками.

Одна из наиболее забавных ошибок: Перельман, лелеявший идею космических полётов до того, как они начались, считал, что разглядеть поверхность Земли из космоса будет невозможно — атмосфера помешает. Реальность оказалась веселее: не только всё как на ладони, но и просматривается то, что бродящим по Земле узреть не дано. Однако автор, в отличие от многих шарлатанов, не считал свои выводы догмами и соглашался на правки в силу новых открытий.

Поэтому рекомендуется помнить при прочтении, что изложенные факты действительны в лучшем случае на середину прошлого века.

Что, впрочем, не помешает научиться отличать вес от массы, инерцию от ускорения, а также альбедо от либидо. Иногда сведений почёрпнутых в книгах Перельмана зачастую бывает достаточно, чтобы в пух и прах разнести какую-нибудь околонаучную чушь, которую отстаивает ваш оппонент в споре.

Занимательная наука:

После «Занимательной физики» Перельман решил на этом не останавливаться и настрочил занимательные «…арифметику», «…алгебру», «…астрономию», «…географию» и «…механику» (а также «Живую математику»). Во времена Советского Союза за авторством Перельмана пользовались бешеной популярностью и издавались огромными тиражами — 13 миллионов вышло только в СССР.

Словосочетание «Занимательная плюс название науки/темы» стало определённой легендой. Перельман приучил несколько поколений, что книжки с такими названиями — это полезно, понятно и увлекательно. Поэтому самые разные люди начали эксплуатировать это название. Покопавшись в Интернет-библиотеках, можно найти кучу книг — от «Занимательной кулинарии» до «Занимательной физиологии». К прочтению строго рекомендуется «Занимательная ядерная физика» К. Н. Мухина или «Занимательная Греция» филолога Гаспарова — чтиво в лучших традициях Перельмана.

Часть 7. Лабораторные работы и эксперименты по физике: Опыты с водой

Лабораторная работа № 1: «Измерение коффициента поверхностного натяжения воды»

Оборудование: капиллярная трубка, штангенциркуль, стальная или пластмассовая линейка с миллиметровыми делениями, прозрачный стакан с дистиллированной водой.

Задача: Пронаблюдать подъём уровня воды в капилляре и по высоте подъёма вычислить поверхностное натяжение воды.

Краткое содержание и метод выполнения работы:

Высота подъёма смачивающей жидкости в капилляре определяется поверхностным натяжением у, плотностью жидкости с и радиусом капилляра r:

где g — ускорение свободного падения, D — диаметр капилляра.

Из этого выражения следует, что для определения поверхностного натяжения смачивающей жидкости необходимо измерить высоту подъёма жидкости известной плотности в капилляре известного радиуса.

Для измерения диаметра капилляра можно воспользоваться металлической иглой. Вдвинув иглу в капилляр до упора, можно пометить краской границы соприкосновения иглы с капилляром. Диаметр иглы на уровне этой границы можно принять за диаметр капилляра и измерить его с помощью штангенциркуля (лучше — микрометра).

Подъём дистиллированной воды в капилляре можно пронаблюдать, опустив капилляр в воду. Капиллярная трубка должна быть предварительно обезжирена и промыта дистиллированной водой.

Порядок выполнения работы:

1. Измерьте радиус капилляра с помощью иглы и штангенциркуля.

2. Опустите конец капиллярной трубки в воду и измерьте высоту подъёма воды.

3. Вычислите поверхностное натяжение воды. Результаты измерений и вычислений занесите в отчётную таблицу

4. Оцените границу погрешностей измерений, приняв? h = 0,5 мм и? r = 0,1 мм.

Отчётная таблица Таб. № 1

(1),

где:

Вывод: Данный способ не вполне соответствует табличному значению из-за большой погрешности измерений.

Лабораторная работа № 2: «Измерение удельной теплоты плавления льда»

Оборудование: калориметр, термометр, цилиндр измерительный, сосуд с тёплой водой, сосуд с водой и тающим льдом.

Задача: Определить удельную теплоёмкость льда. (удельная теплоёмкость воды равна 4,18 кДж/ (кг*К))

Краткое содержание, теория и метод выполнения работы:

Определение переданного или полученного количества теплоты на основании измерений температуры требует осуществления теплообмена между двумя или более телами без совершения работы. Обычно для таких измерений используется калориметр.

Во внутренний сосуд наливается жидкость, например керосин или воды. Если в жидкость опустить тело с температурой t₁, которая выше температуры t₂ жидкости и калориметра, то между жидкостью и телом происходит теплообмен до установления теплового равновесия. При теплоизоляции он внешних тел и равенстве нулю работы внешних сил внутренняя энергия тел в калориметре в сумме не изменяется, следовательно, сумма количества теплоты Q₁, полученного исследуемым телом, количества теплоты Q₂, полученного жидкостью, и количества теплоты Q₃, полученного внутренним сосудом калориметра, равна нулю. На этом основании составляется уравнение теплового баланса.

Порядок выполнения работы:

1. Разбейте лёд на кусочки небольших размеров и оставьте в чашке на 20−30 минут. Лёд в воде в процессе таяния имеет температуру t₁, равную 0^?С.

2. Налейте в измерительный цилиндр 100 см? тёплой воды при температуре примерно 58^?С. Измерьте температуру t₃ тёплой воды в цилиндре и перелейте эту воду во внутренний стакан калориметра. Измерьте температуру t₂ воздуха.

3. Куски тающего льда опустите в калориметр с тёплой водой. После опускания каждого куска льда ожидайте полного его расплавления и следите за показаниями термометра. Лёд нужно добавлять до тех пор, пока температура воды в калориметре не опустится до значения t₂, равного температуре окружающего воздуха.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

m₁л + m₁c (t₁ — t₂) + m₂c (t₂ — t₃) = 0, (2)

где: c — удельная теплоёмкость воды, m₁ — масса льда, m₂ — масса тёплой воды.

Массу льда можно определить, перелив в измерительный цилиндр воду из калориметра после завершения эксперимента. Объём воды, образовавшейся в результате таяния льда, равен разности объёмов всей воды и тёплой воды:

V₁=V₂ — V₃.

Масса льда равна m₁ = V₁с.

4. Вычислите удельную теплоту плавления льда:

(3)

где: с — уд

5. Оценить границы погрешностей измерений и вычислений. Результаты измерений и вычислений занести в отчётную таблицу.

Отчётная таблица. Таб. № 2

К расчёту погрешности:

Дл = Дб + Дb, где (4) (5)

Дб=е_бб, Дb = 2cДt.

б = 50/100 * 4200 Дж/кг*?С = 39 900 Дж/кг

b = 4200 * 39 = 163 800 Дж/кг

е_б = 0,02 + 0,01 + 0,1 = 0,13 т. е. е_б = 13%

Дб = 5187 Дж/кг; Дл = 26 481 Дж/кг = 26 Кдж/кг

Дb = 21 294 Дж/кг; л = (328 ± 26) кДж/кг

л_таб = 330 кДж/кг; л_таб Є [ 302; 354 ] кДж/кг

Вывод: Полученное значение соответствует табличному с учётом погрешностей.

Лабораторная работа № 3: «Измерение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель»

Цель работы: Определить коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: Электронные весы, пробирка, сосуд с водой, медицинский шприц, линейка.

Ход работы: Возьму медицинский шприц и наполню его водой. Взвешу пустую пробирку на электронных весах, затем накапаю в неё 50 капель воды, взвешу ещё раз.

Вырежу небольшую бумажную полоску и с помощью неё и линейки вычислю диаметр шприца. (рис 18) Получившиеся данные занесу в отчётную таблицу № 3

Отчётная таблица Таб. № 3

где N — количество капель, m₁ — масса пустой пробирки, m₂ — масса пробирки с 50 мл воды, Дm — масса 50 капель воды, m₀ — масса одной капли воды, d — диаметр отверстия шприца, у — коэффициент поверхностного натяжения воды, Ду — погрешность коэффициента поверхностного натяжения, е — погрешность измерений (в процентах).

Вычислю погрешность данных измерений с помощью формулы:

= = 0.4, или 40% (6)

Затем вычислю коэффициент поверхностного натяжения по уравнению:

m₀g = F_п

m₀g =

m₀g = у2рr

m₀g = урd

у = = = 0,92 070 = 92*10^-3Н/м (7)

Ду = у * 0.4 =37 * 10^-3Н/м

у = (92±37) * 10^-3Н/м; у_таб = 73*10^-3Н/м

Вывод: Данный результат соответствует табличному, значит, результат верный. Но из-за большой погрешности в измерениях он не желателен для нахождения у воды.

Лабораторная работа № 4: «Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва рамки»

Цель работы: Определить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва рамки.

Оборудование: Набор гирь, линейка, металлические рамки треугольной и квадратной формы, подвешенные на нитке, чашечные весы, чашка с водой.

Ход работы: Привяжу к одной из чашек весов металлическую рамку, подвешенную на нитке. На противоположную чашу весов буду помещать гири, до тех пор, пока чашки весов не придут в равновесие.