Исследовательская работа "Тайны о воде"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №3»

Городская научно-практическая конференция

«Старшеклассник. Наука. Карьера»

Тайны о воде

Выполнил: Дубовик Дмитрий Викторович,

ученик 9 «а» класса

Руководитель: Конева Елена Александровна,

учитель физики

Ялуторовск, 2012

Оглавление

1. Введение 3

2. Глава I. Физические свойства воды. 4

3. Глава II. Исследования свойств воды 6

3.1. Какую форму имеет вода? 6

3.2. Парадокс Мпемба 6

3.3. Как образуется ледяная сосулька? 9

Заключение 10

Список литературы 11

Приложение 12

Введение

Вода! Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни; ты – сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами... Ты самое большое богатство на свете...

Антуан де Сент-Экзюпери.

Вода – самое необыкновенное вещество в мире. Всем известная вода среди необозримого множества веществ занимает совершенно особое, исключительное место.

Вода – это самое распространенное вещество на Земле в ее приповерхностном слое. Даже сам человек состоит по разным данным от 70 до 80% из воды. Наверное, нет более привычного нам и столь же часто встречающегося вещества, как вода. Вода является важным элементом живого органического мира. Она вокруг нас и внутри нас. Вода – это единственное вещество, которое существует на нашей планете одновременно в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Вода – универсальный растворитель. Она легко вступает во взаимодействие со многими веществами. Вода обладает текучестью, постоянно меняет форму, прозрачность. А самое главное, человек на две трети состоит из воды, хотя с возрастом запас воды в организме снижается.

От общего количества воды на планете зависит жизнь человека, животного, растения и даже бактерии. Поэтому изучение воды актуально в наше время. Выполнив в прошлом году исследовательскую работу по теме «Физические свойства льда», я столкнулся с некоторыми противоречащими фактами относительно свойств воды. Поэтому тема моей работы «Тайны о воде».

3

Цель работы: проверить опытным путем некоторые противоречивые сведения о воде.

Задачи:

- изучить литературу по данному вопросу;

- провести эксперименты;

- проанализировать результаты экспериментов и сделать вывод.

С этой целью я выдвинул следующую гипотезу:

Если вода является самым распространенным веществом на Земле, то все ее свойства должны быть хорошо изучены.

Глава I. Физические свойства воды.

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н₂O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд на полюсах). Космос выбрал именно воду в качестве основы жизни. Миллиарды лет тому назад в холодном газо-пылевом облаке, из которого образовалась Земля, уже содержалась вода в виде ледяной пыли. Это подтверждается исследованиями Вселенной. Академик Вернадский писал: «Нет такого соединения, которое могло бы сравниться с водой по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества, минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не включало».

Роль воды в жизни планеты определяющая, потому что все изменения климата, все условия для существования жизни создаются водной средой и кругооборот, который мы наблюдаем, направлен именно на существование и развитие живых существ. Нагретая солнцем у экватора, вода гигантскими потоками морских течений переносит тепло в полярные области, так она регулирует температуру по всей планете. Солнце всего за одну минуту испаряет с поверхности океана около миллиарда тонн воды. Каждую минуту этот пар, вбирая колоссальное количество солнечной энергии, отдает ее атмосфере Земли. За счет этой энергии дуют ветры, идут дожди, возникают бури, рождаются штормы и ураганы.

Чистая вода представляет собой бесцветную без вкуса и запаха прозрачную жидкость. Вода сохраняет свой объём, не имеет собственной формы и плохо сжимается. Самое поразительное свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах: в твердом, жидком и газообразном. При этом большинство ее свойств не вписывается в общие физические принципы. Абсолютно чистая вода обладает такими свойствами, что поверить в это трудно. Именно аномальностью своих свойств вода всегда привлекала ученых. Но только на рубеже 21 века главная тайна воды была разгадана. Оказалось, что вода состоит из супер-молекул, так называемых кластеров или ячеек, то есть, обладает особой молекулярной шестигранной структурой. Эта структура меняется, если на воду воздействовать различными способами – химическим, электромагнитным, механическим, и… информационным. Под этими воздействиями ее молекулы способны перестраиваться, и таким образом запоминать любую информацию. Феномен структурной памяти позволяет воде впитывать в себя, хранить и обмениваться с окружающей средой данными, которые несет свет, мысль, музыка, молитвы или простое слово. Подобно тому, как каждая живая клетка хранит в себе сведения обо всем организме, каждая ячейка воды способна хранить в себе информацию о всей нашей планетарной системе.

Глава II. Исследования свойств воды

3.1.Какую форму имеет вода?

В учебнике С.В. Громова «Физика 7 класс» написано, что вода не имеет собственной формы. Но работая с информацией, выходящей за рамки школьной программы, я прочитал «Естественная форма воды – шар». Я провел некоторые опыты. Всем известно, что в момент свободного падения или прыжка тело кратковременно находится в состоянии невесомости. В первом опыте я взял пипетку, набрал в неё немного воды. Вода падает из пипетки. Образуется капля. Она имеет форму шара. (Приложение №1)

Утверждение, что вода имеет форму сосуда, а собственной формы не имеет неверно. Вода обладает собственной формой. Её форма – шар, но на Земле она искажена земным притяжением, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо, же принимает форму сосуда, если налита в него. Форму шара имеет не только вода, но и любая другая жидкость. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда «теряет» свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму. Получится модель жидкости в космосе, когда на нее не действует сила тяжести.

Я провел второй опыт.(Приложение №2) . В масло с помощью пипетки наливал воду. Вода приобрела форму шара.

Можно видеть крупные капли дождя. Они тоже выглядят как шарики, но немного вытянуты под действием притяжения Земли.

3.2.Парадокс Мпемба

Следующий факт, который меня заинтересовал, это то, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии. После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект. С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

Этот факт вызвал у меня большие сомнения, и я провел аналогичное исследование. (Приложение №3) Взял два стакана. В один налил горячей воды, а в другой - холодной воды. Поставил в морозильную камеру. Мне удалось пронаблюдать особенности замерзания горячей и холодной воды: холодная вода в процессе кристаллизации покрывается сверху плёнкой, а горячая начинает замерзать снизу и по стенкам стакана. Когда через 30 минут я достал оба стакана из морозильной камеры, то оказалось, что стакан с горячей водой полностью промерз, а стакан с холодной водой нет. В стакане с холодной водой я обнаружил, что имеется небольшой участок смеси льда и воды. То есть жидкость не промерзла до конца. Как ни парадоксально, но Эрасто Мпемба оказался прав. Учёные достаточно давно знают о том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной, но до сих пор никто не мог объяснить, почему. Многие исследователи выдвигали свои предположения и теории, и лишь один утверждает, что знает однозначный ответ. Существует несколько объяснения этого парадокса:

1. Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

2. Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

3. Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

4. Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

Но однозначного ответа на вопрос,  — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено. Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба (случай 4). Поразмышляв над этим вопросом, я пришел к выводу, что мне ближе версия №3 приведенная в тексте. Мне она кажется логичной исходя из процесса наблюдения за своим экспериментом.

3.3. Как образуется ледяная сосулька?

И ещё одно интересное явление связано с водой. Случалось ли вам задумываться над тем, как образуются ледяные сосульки, которые мы часто видим свешивающимися с крыш? В какую погоду образовалась сосулька в оттепель или в мороз? Если в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться на крыше вода? Оказывается, чтобы могли образоваться сосульки нужно в одно и тоже 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. (Приложение №4)

Ясный день. Мороз всего 1 – 2 градуса. Солнце заливает все своими лучами; однако же эти косые лучи не нагревают землю настолько, чтобы снег мог таять. Но на склон крыши, обращенный к Солнцу, лучи падают не полого, как на землю, а круче, под углом, более близким к прямому. Известно, что освещение и нагревание тем больше, чем больше угол составляют лучи с плоскостью, на которую они падают. Вот почему скат крыши нагревается сильнее и снег на нем 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 замерзшую каплю натекает следующая, так же замерзающая; затем третья капля, и т.д.; постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В другой раз при такой же погоде эти ледяные наплывы еще удлиняются, и в результате образуются сосульки.

Заключение

Итак, проверив опытным путём некоторые особенности и свойства воды, я пришёл к выводу, что моя гипотеза не нашла своего подтверждения и вода является мало изученным веществом. До сих пор ученые не могут объяснить аномальные свойства воды. Недавно было открыто ещё одно свойство этого вещества – информационное. Но вокруг этого открытия очень много споров.

В следующем году мне хотелось бы продолжить исследование по этой теме и рассмотреть особенности перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое.

Список литературы

1. Богданов К. «Вода внутри нас»/ Квант №3, 2003г.

2. Гегузин Я.Е./ Капля./ Квант №9, 1974г.

3. Гинцбург М.А./ Вода на Луне/ Квант №2, 1972г.

4. Варламов С.Д./ Лед и пламень: Молекулярная физика 10 кл. – М.: Чистые пруды, 2005г.

5. Дерпгольц В.Д. Вода во вселенной. Л.: Недра, 1971.

6. Зацепина Г.И./ Физические свойства и структура воды. – М.: Изд-во МГУ 1987г.

7. Канаев П. / Опыты с водой на морозе/ Квант, №11, 1979г.

8. Колтун М. Мир химии. М.: Детская литература, 1988.

9. Лажечников И.И./ Ледяной дом – М.: Просвещение, 1992г.

10. Петрянов. И. В. /Самое необыкновенное вещество в мире.– М.: «Педагогика», 1975.

11. Тарасов Л.В. / Физика в природе – М.: Просвещение, 1988г.

12. Чапура Г. «Зимние фантазии» / Северный рабочий №3, 2005г.

13. Энциклопедия для детей. Том 3 (География). / Сост. С. Т. Исмаилова. – М.: «Аванта+», 1994. – 640 с.: ил.

14. Энциклопедия для детей. Том 17 (Химия). / Глав. ред. В. А. Володин– М.: «Аванта+», 2000. – 640 с.: ил.

15. Энциклопедия для детей. Том 19 (Экология). / Глав. ред. В. А. Володин– М.: «Аванта+», 2001. – 448 с.: ил.

.

Приложение

Приложение 1

Рис 1.Какую форму имеет вода? Рис 2.Какую форму имеет вода?

Рис 3.Какую форму имеет вода? Рис 4.Какую форму имеет вода?

Рис 3.Какую форму имеет вода? Рис 4.Какую форму имеет вода?

Рис 6. Какую форму имеет вода?

Рис 7 .Какую форму имеет вода?

Приложение 2

Рис 1. Парадокс Мпемба

Рис 1. Парадокс Мпемба

Рис. 2 Парадокс Мпемба

Приложение 3

Рис 1. Как образуется ледяная сосулька?

Рис 2. Как образуется ледяная сосулька?

Рис 3. Как образуется ледяная сосулька?

Рис 4. Как образуется ледяная сосулька?