Научно-исследовательская работа по химии «Изучение строения пламени свечи»
Научно-исследовательская работа по химии «Изучение строения пламени свечи»
Научно-исследовательская работа по химии «Изучение строения пламени свечи с помощью мобильной естественнонаучной лаборатории Лабдиск и регистратора данных USBLink».
На первых уроках изучения химии в 8 классе по программе изучения курса О.С. Габриеляна школьники выполняют практическую работу «Наблюдение за изменениями, происходящими с горящей свечой». После ее выполнения обучающимся становится известно, что пламя свечи состоит из трех частей. Эту информацию ученики получают только из литературных источников, поэтому им просто приходится верить, что это так. Мы решили провести эксперимент и проверить, так ли это, с помощью современного оборудования.
Цель работы: доказать, что пламя свечи состоит из трех частей с помощью современных технологий: Лабдиска и регистратора данных USBLink.
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
Некоторые вещества при высокой температуре начинают светиться. Например, при нагревании металл начинает светиться ярким красным, а перед плавлением – желтым цветом. Пламя свечи является результатом горения воска (углеводорода). Тепло от горящего фитиля расплавляет прилегающий к нему воск, а расплавленный воск за счет капиллярных сил поднимается по фитилю и там испаряется.
Пламя – это явление, вызванное свечением раскалённой газообразной среды. Обычное пламя, которое мы наблюдаем при горении свечи, зажигалки или спички представляет собой поток раскалённых газов, вытянутый вертикально за счёт силы Архимеда (горячие газы стремятся подниматься вверх). Сначала фитиль свечи нагревается и парафин начинает испаряться.
На первых уроках изучения химии в 8 классе по программе изучения курса О.С. Габриеляна школьники выполняют практическую работу «Наблюдение за изменениями, происходящими с горящей свечой». После ее выполнения обучающимся становится известно, что пламя свечи состоит из трех частей. Эту информацию ученики получают только из литературных источников, поэтому им просто приходится верить, что это так. Мы решили провести эксперимент и проверить, так ли это, с помощью современного оборудования.
Цель работы: доказать, что пламя свечи состоит из трех частей с помощью современных технологий: Лабдиска и регистратора данных USBLink.
В соответствии с целью определены следующие задачи:
Изучить методические рекомендации по использованию мобильной естественнонаучной лаборатории Лабдиск и регистратора данных USBLink;
На основе литературных источников изучить строение пламени свечи;
Провести опрос обучающихся БОУ г. Омска «Лицей №143» для определения их отношения к использованию современных технологии на уроках химии;
Используя лабораторные методы, доказать наличие трех зон в пламени свечи.
Объектом нашего исследования является пламя свечи.
Теоретическое исследование включало анализ литературы, справочно-методических пособий.
В исследовательской части работы использовались методы опроса, наблюдения, эксперимента, сбора и анализа полученных данных.
Работа проводилась в химической лаборатории бюджетного общеобразовательного учреждения города Омска «Лицее №143».
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ (ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ)
1.1. Мобильная естественнонаучная лаборатория с мультисенсорным регистратором данных Лабдиск
Оснащение школ компьютеризированной техникой резко повышает эффективность обучения дисциплинам, основанных на экспериментальных данных. Современные школьные цифровые лаборатории позволяют производить тысячи измерений в секунду несколькими датчиками одновременно. Они освобождают школьников от утомительной вспомогательной работы – чтения и записи данных, построения графиков и т.п. Теперь ученикам представляется возможность сосредоточиться именно на анализе результата эксперимента и на понимание сущности исследуемого явления.
Регистратор данных Лабдиск – это беспроводная лаборатория, имеющая до 13 датчиков, встроенных в корпус, и порты для подключения внешних датчиков (рис.1). Полный список датчиков представлен в таблице 1 (приложение 1).
Рис. 1. Датчики, встроенные в корпус Лабдиска
Лабдиск снабжен инструментом автоматического тестирования и калибровки всех датчиков, вследствие чего измерения могут начаться в момент его включения. Показания датчиков отображаются на экране регистратора, одновременно записываются в его память, передаются на компьютер. Программное обеспечение на компьютере отображает данные в таблицах, на графиках и табло измерительных приборов. С помощью встроенных в программное обеспечение функций математической обработки и статистического анализа данных пользователь представляет результаты эксперимента в максимально удобном для понимания виде.
Управление экспериментом и обработка полученных результатов опытов осуществляется с помощью программного обеспечения GlobiLab. Программа предлагает пользователю различные виртуальные измерительные приборы, таблицы, графики, столбчатые диаграммы. Имеются также инструменты графики: маркеры, лупа, вырезание, комментирование. Математический инструментарий обработки данных эксперимента включает такие функции, как производные, линейная и квадратичная регрессия. Окно программы выглядит следующим образом (рис. 2):
Рис. 2. Окно программы GlobiLab
Программа позволяет:
просматривать данные эксперимента;
изменять вид график;
проводить графический анализ;
производить обмен данными с Лабдиском;
управлять файлами данных;
экспортировать данные.
1.2. Цифровая лаборатория «Архимед» - регистратор данных USBLink
Цифровые лаборатории Архимед – это новое поколение школьных естественнонаучных лабораторий. они обеспечивают автоматизированный сбор и обработку данных, позволяют отображать ход эксперимента в виде графиков, таблиц, показаний приборов. Проведенные эксперименты могут сохраняться в реальном масштабе времени и воспроизводиться синхронно с их видеозаписью. Проведение экспериментов с помощью лаборатории Архимед позволяет решать метапредметные задачи – осваивать понятия и методы, относящиеся к статистике, математике, информационным технологиям.
Цифровые лаборатории представляют возможность:
уменьшить время, затрачиваемое на организацию и проведение фронтального и демонстрационного эксперимента;
повысить степень наглядности эксперимента и визуализации его результатов, расширить список экспериментов;
проводить измерения в полевых условиях;
модернизировать традиционные эксперименты.
В составе любой цифровой лаборатории Архимед – измерительные устройства (специализированные естественнонаучные датчики), регистратор данных, программное обеспечение для управления сбором данных и обработкой эксперимента, справочные и методические материалы.
Цифровые лаборатории, комплектуемые регистраторами, отвечают требованиям автономной мобильной лаборатории – регистраторы данных в них являются, по сути, самостоятельными компьютерами со своим источником питания, памятью, операционной системой и пользовательским интерфейсом.
USBLink – мощный и, в то же время, очень маленький и простой интерфейс датчиков, который можно подключить к USB-порту любого компьютера. Он имеет 4 порта для присоединения датчиков (рис. 3).
Рис. 3. Регистратор данных USBLink
Регистратор USBLink предназначен для работы с программным обеспечением MultiLab, которое позволяет:
отобразить данные в виде графиков, таблиц или показаний шкалы прибора;
получить данные от устройства USBLink в режиме реального времени;
использовать журналы экспериментов, включающие в себя одновременно инструкции по проведению эксперимента, его настройки и отчет;
использовать мультимедийные возможности, позволяющие сопровождать полученные данные синхронизированными видео- и аудиоматериалами;
интуитивно понятно и просто управлять регистрацией данных.
Экран MultiLab состоит из четырех окон: графиков, таблиц, видео и навигации. Можно открыть все окна одновременно или одно из них. Еще одна полезная функция – журнал. Этот лабораторный инструмент позволяет ученику посмотреть все предстоящие ему действия. Диалоговое окно программы представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Окно программы MultiLab
2. ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ПЛАМЕНИ СВЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ)
2.1. Опрос обучающихся БОУ г. Омска «Лицей №143»
Прежде чем приступить к исследованию строения пламени свечи с помощью современного оборудования, мы решили провести опрос с целью выявить отношения обучающихся к использованию новых технологий на уроках химии.
В опросе участвовали обучающиеся двух классов в количестве 47 человек. Им было предложено ответить на два вопроса:
1) интересно ли вам использовать современные технологии на уроке? (да/нет)
2) Помогает ли это вам в изучении предмета? (да/нет)
Проанализированные результаты опроса представлены в виде диаграмм на рис. 5.
Рис. 5. Результаты опроса обучающихся
Из диаграмм видно, что большинству учеников нравится и интересно использовать современные технологии на уроке, они считают, что это помогает в изучении предмета.
2.2. Результаты исследования строения пламени свечи
При выполнении практической работы «Наблюдение за изменениями, происходящими с горящей свечой» на уроке химии, мы выделили три зоны в пламени свечи. Это деление основывалось на различном цвете пламени (рис. 6).
Рис. 6. Строение пламени свечи
Синяя зона – прилегающая к фитилю часть пламени. Она заполнена парами топлива (испарившегося воска), и здесь практически нет кислорода, а значит, и горения.
Оранжевая зона – зона, в которой возникает горение, то есть окисление топлива попадающим сюда кислородом. Полного сгорания топлива в этой зоне еще не происходит из-за недостатка кислорода. Температура здесь достигает 800-900 градусов Цельсия. Разогретые до этой температуры частицы несгоревшего топлива (сажа) светятся оранжевым светом.
Желтая зона – здесь нет недостатка кислорода. В этой зоне происходит дальнейший разогрев, а потом и сгорание поступивших из оранжевой зоны частиц топлива. Желтый цвет – цвет разогретых до максимальной для нихз температуры частиц топлива. Желтая зона переходит в бесцветную зону полностью сгоревших частиц, обладающую наивысшей температурой.
Мы решили доказать наличие трех зон в пламени свечи с помощью мобильной лаборатории Лабдиск и регистратором данных USBLink.
1. Изучение строения пламени с помощью Лабдиска
Для выполнения эксперимента мы собрали установку, состоящую из персонального компьютера, регистратора данных Лабдиск и термопары с диапазоном измерения температуры от 50 до 1200 градусов Цельсия.
Поочередно вводили термопару в каждую зону горения свечи и измерили температуру. Чтобы вывести на экран результаты эксперимента, нажали на значок Столбчатая диаграмма (рис. 7).
Рис. 7. Результаты исследования пламени свечи в виде диаграммы
С помощью инструмента Статистика мы получили максимальные, минимальные и усредненные величины измерений температуры (рис. 8).
Рис. 8. Статистика датчика термопары
Чтобы сравнить значение температур в каждой зоне пламени мы открыли таблицу с экспериментальными данными (табл. 1).
Таблица 1
Значение температуры в каждом из четырех замеров
Замер
Термопара [°C]
1
25.2 (комнатная)
2
527.0
3
882.5
4
1062.7
2. Изучение строения пламени с помощью регистратора данных USBLink
Для выполнения эксперимента мы собрали установку, состоящую из персонального компьютера, регистратора данных USBLink и датчика температуры с диапазоном измерения температуры от 0 до 1200 градусов Цельсия.
Произведя настройку регистратора, выставили частоту и количество замеров. Для начала мы замерили комнатную температуру, затем поочередно в трех зонах пламени. Закончив эксперимент, нажали кнопку Стоп.
Для анализа результатов использовали кривую в координатах Температура – Время (рис. 9).
Рис. 9. Кривая зависимости температуры от времени
Заключение
При изучении строении пламени мы использовали такие современные технологии, как мобильный регистратор данных Лабдиск и регистратор данных USBLink.
Анализируя графики и табличные данные наших измерений, мы экспериментально доказали, что пламя свечи действительно имеет три зоны.
Для зоны 1, самой нижней, характерно небольшое синее свечение — там много топлива и мало кислорода. Поэтому, происходит неполное сгорание топлива с образованием СО, который, окисляясь на самом крае конуса пламени, придает ему синий цвет. В зону 2 за счет диффузии проникает больше кислорода, там происходит дальнейшее окисление топлива, температура больше, чем в зоне 1, но его все же недостаточно для полного сгорания топлива. В зоне 1 и зоне 2 содержатся несгоревшие капельки топлива и частицы угля. Из-за сильного нагревания они светятся. Испарившееся топливо и продукты его горения — углекислый газ и вода — почти не светятся. В зоне 3 концентрация кислорода ещё больше. Там происходит догорание несгоревших частиц топлива, которые светились в зоне 2, поэтому эта зона почти не светится, хотя там самая высокая температура.
Учащиеся могут использовать полученные знания, например, чтобы измерить температуру в средней части гвоздя, поскольку именно там ее значение будет более всего соответствовать средней температуре всего гвоздя.
Также применить знание о наличии трех зон пламени можно в аналитической химии, в частности, при получении окрашенных перлов для быстрой идентификации минералов и горных пород, в том числе в полевых условиях, с помощью паяльной трубки.
Список использованных источников
Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб .для общеобразоват. учреждений / О.С. Габриелян. – 16-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010. – 270 с.
Габриелян О.С., Остроумов И.Г., АхлебининА.К. Старт в химию // Химия, Первое сентября, - 2006. - № 2. - С. 13–17.
Датчики цифровых лабораторий. Справочно-методическое пособие. – М.: ИНТ, 2012. – 115 с.
Мобильная естественнонаучная лаборатория «Лабдиск Химия». Справочно-методическое пособие. – М.: ИНТ, 2012 – 78 с.
