Інформаційно–дослідницький проєкт з фізики "Відома та невідома вода"

Брагинівський ліцей

 

ВІДОМА ТА НЕВІДОМА ВОДА

Інформаційно–дослідницький проєкт з фізики

 

вчитель фізики та інформатики

Гуменюк В. М.

 

 

 

 

 

 

 

Мета проєкту: проводити роз’яснювальну  роботу серед учнів класу та ліцею щодо раціонального використання водних ресурсів для усвідомлення ними того, що вода у природі – найкоштовніша корисна копалина.

Очікувані результати: цей проєкт може стати корисним для вивчення запасів води у нашому селі, вдосконалення системи подачі води, залучення  учнів ліцею до раціонального використання природних ресурсів, водозбереження та збереження клімату, пошуків найефективніших шляхів зменшення викидів, боротьби з глобальним потеплінням.

                                                        План проєкту

1. Актуальність теми.
2. Фізичні величини, що характеризують стан води.
3. Фізика води.
4. Важка та легка вода.
5. Геометрія води.
6. Вода в хімії.
7. Вода в біології.
8. Вода в географії.
9. Вода в астрономії.
10.  Врятуймо воду.
11.  Очищення води.
12.  Дослідження проб води.
13.  Фізичний практикум.

Модель саморобного психрометра.

Модель саморобного фільтра.

Модель саморобного опріснювача води.

Модель для демонстрації плавання тіл.

14.  Висновки.

             

Актуальність теми

     Організація  Об'єднаних  Націй  оголосила  2005-2015 роки десятиріччям води. Це і визначило тему моєї роботи, яка стала частиною загальношкільного проекту «Земля потребує захисту». Упродовж останніх років майже припинилися будівництво і введення в експлуатацію нових очисних споруд каналізації, а потужності водогону збільшуються. Передбачуваний наслідок таких диспропорцій – інтенсивне забруднення джерел постачання.

     У 2005 р. 2/3 населення Землі потерпало від браку води або її незадовільної  якості. Сьогодні, за даними Міжнародної організації охорони здоров'я,  лише в Європі понад 100 млн людей  не мають доступу до якісних водних ресурсів. Україна – найменш забезпечена водними ресурсами держава серед європейських країн. Порівняйте: 2006 року у Франції цей показник становив 4570 на одного жителя країни на рік, у Швейцарії – 7280, в Австрії  – 7700, у Швеції – 24 000, а в Україні всього – 1700. Цей показник щороку знижується.

     Щодоби кожен міський мешканець України витрачає 320 л води, тоді як у великих містах Європи – 100-200 л. За даними  Міністерства екології і природних ресурсів України, 2000 року з природних джерел узято  174 000 неочищених.

Вимірюємо воду

      З фізичного довідника нам відомі фізичні властивості води за атмосферного тиску:

густина води: 1000 кг/

питома теплоємність: 4200 Дж/(кг·К);

ізотопи водню утворюють сполуки: важку воду -  D₂O та надважку воду - Т₂О;

температура плавлення та кристалізації: 0°С;

температура кипіння: 100°С;

критична температура: 374°С;

поверхневий натяг: 73 мН/м (за температури 20°С);

температурний коефіцієнт об'ємного розширення: 207·10^-8 1/К;

питома теплота пароутворення: 2,3 МДж/кг;

діелектрична проникність: 81;

питомий опір за 18°С: 4440000 Ом·м;

молярна маса: 0,018 кг/моль;

діаметр молекули води: 0,276 нм;

маса молекули води: 3·10^-26 кг;

в'язкість за 0°С: 0,001797 кг/(м·с);

коефіцієнт дифузії: 1,05 м²/с;

коефіцієнт теплопровідності: 0,58 Вт/(м·К);

дзеркальне відбивання світла водяною поверхнею: 2%;

покажчик заломлення світла: 1,33;

граничний кут повного відбивання: 49°.

Для введення одиниць деяких фізичних величин теж використано властивості води:

одиниця температури -  1° - сота частина проміжку між температурами кипіння і замерзання чистої води за атмосферного тиску за шкалою Цельсія;  умовний нуль за шкалою Цельсія – температура замерзання чистої води за атмосферного тиску;

одиниця маси – 1 кг – маса 1 л води за температури +4°С;

одиниця кількості теплоти (позасистемна) – 1 калорія – це кількість теплоти, яку необхідно витратити, щоб нагріти 1 г чистої води на 1°С від 19,5 до 20,5°С за незмінного зовнішнього атмосферного тиску, що дорівнює 1 атм.

Чого ми вже навчилися на уроках фізики

1. Вимірювати об'єм води за допомогою мензурки.
2. Вимірювати температуру води.
3. Вимірювати масу води за допомогою важільних терезів.
4.     Вимірювати густину води за допомогою ареометра.
5.     Вимірювати вологість повітря – кількість водяної пари в приміщенні.
6.     Нам відомо багато цікавого про воду.

 

 

Фізика води

  Вода – дивовижна речовина. Ми звикли до неї та не помічаємо її дивних властивостей.  Ми – діти води. Недарма в казках жива вода оживлює мертвих. Воді властиві деякі аномалії, тобто відхилення.

Аномалії води

1.     Вода за своєю будовою має плавитись і кипіти за інших температур, ніж на Землі. Але кипить вона за 100°С, починає замерзати за температури, нижчої, ніж +4°С . Температура кристалізації 0°С.
2.     Висока теплоємність. У води теплоємність удесятеро більша, ніж у заліза. Нагрівається вп'ятеро повільніше, ніж пісок.
3.     Щоб випарувати воду з чайника, потрібно майже у 5,5 разів більше енергії, ніж для того, щоб її нагріти від 0°С до 100°С. Якби у води не було цієї властивості, влітку вона би вся випарувалася з річок та озер.
4.     Замерзаючи, вода віддає дуже багато тепла. Під час замерзання 1 л води може віддати стільки тепла, що ним можна було и нагріти на 1°С 250 м³ повітря. Ось чому в холодні зимові ночі в теплицях ставлять бочки з водою: замерзаючи, вода віддає тепло і нагріває повітря. В радіаторах парового опалення теж використовують воду, тому що у неї велика теплоємність.
5.     Замерзаючи, вода розширюється. Тому лід легший за воду. Він плаває на поверхні води. Правда, таке розширення може бути фатальним для живих клітин або водогону. Але все ж таки від нього більше користі, ніж шкоди. «Закутуючи» воду в «льодову шубу», природа зберігає її мешканців.
6.     Вода стискається під час охолодження. Але за температури +4°С вона знову починає розширюватися. Вода найгустіша за +4°С. Така вода є найважчою. У водоймах узимку вона опускається на дно й знаходиться там до потепління. А над нею – більш холодні прошарки води, тому їхня густина й вага менші. Ось чому на дні річки чи озера завжди порівняно тепло.
7.     З усіх рідин, окрім ртуті, вода має найбільший поверхневий натяг. Сили поверхневого натягу « тягнуть» воду з глибини ґрунту. Це дає змогу рослинам живитися речовинами, які піднімаються з водою.
8.     Вода – найкращий розчинник у природі. Вона розчиняє багато різних речовин. Але сама при цьому залишається інертною, тобто не змінюється від тих речовин які розчиняє. Завдяки цьому вода змогла стати носієм життя. Розчини всіх речовин, що містяться в нашому тілі, містять воду. Найбільше її в мозку – 81%, у м'язах – 50- 75%.

Важка та легка вода

    Легка вода відома всім – її хімічна формула Н₂О. Але такої води у природі немає. Поки що вона є в кількох найбільших лабораторіях світу, де вивчають властивості ізотопних сполук.

     І важкої води у природі не існує. В науці та ядерній фізиці важкою умовно називають воду, до складу якої входить лише дейтерій і зовсім немає звичайного легкого ізотопу Гідрогену. У багатьох країнах світу працюють велетенські переробні заводи, які переробляють мільйони тонн води, щоб видобути з неї дейтерій та отримати у чистому вигляді важку воду.

Якщо показати три склянки зі звичайною, легкою та важкою водою, хімік не відрізнить: у всіх посудинах вода, без смаку та запаху. Але фізик з ним не погодиться. Він скаже, що температура кипіння та замерзання будуть різними. Біолог опиниться у найскладнішій ситуації. Донедавна вважали, що у важкій воді живі істоти жити не можуть. Але якщо повільно, поступово звичайну воду замінити важкою, то мікроорганізми можна привчити до важкої води, а звичайна вода для них виявиться шкідливою.

З 1 л води можна видобути більше енергії, ніж із 4 кг високоякісного вугілля. Спершу треба відділити важку воду від природної, а далі – організувати взаємодію ядер важкого ізотопу Гідрогену – термоядерну реакцію. Фізики реалізували некеровану термоядерну реакцію у вигляді вибуху. Проте людям потрібна саме керована термоядерна реакція, така, що має стати джерелом енергії для промисловості, транспорту. Енергії, прихованої у воді, людству вистачить на мільярди років. Треба навчитись її правильно добувати і використовувати.

Геометрія води

Про цікаву геометрію води ви не прочитаєте в підручнику з математики. Щоб дослідити це питання, розглянемо розташування атомів Гідрогену та Оксигену. У молекулі води вони утворюють рівнобедрений трикутник, довжина сторін якого й кут між ними змінюється за зміни зовнішніх умов.

Можна сказати , що геометрія молекули води така: два єгипетських трикутники зі спільним катетом, кратним 3. Істинним творцем молекули води, а отже, і єгипетського трикутника, відомого з уроків геометрії (теорема Піфагора), є сама природа. Вона заклала в молекулу води чарівну гармонію золотої  пропорції, якої не має жодна трьохатомна молекула. Тож недарма стародавні єгиптяни особливо виділяли числа 3, 4, 5, а в основу багатьох споруд, розмітки полів клали трикутник із таким співвідношенням і вважали його священним. Нічого дивного! Адже він «змальований» із молекул води – найважливішої молекули у природі.

Вода в хімії

1766 р. Г. Кавендіш (Англія), а згодом 1783 р. А. Лавуазьє (Франція) довели, що вода – не простий хімічний елемент, а сполука водню з киснем. Після цього відкриття хімічний елемент, що позначається символом H, назвали Гідроген (той, що народжує воду).

Вода – чудовий розчинник . У морській воді міститься 70 хімічних елементів. А випиваючи склянку чаю, ми поглинаємо 0,0001 г скла.

Вода в біології

Можна сказати, що складається з води й органічних речовин. Без води людина не змогла би прожити  й 6-8 днів, а без поживних речовин може обійтися й кілька тижнів. Живий організм сам здатен виробляти воду, розщеплюючи її всередині організму. Проте людям цієї води недостатньо. Відповідно до рекомендацій лікарів, ми маємо споживати не менше 2 л води додатково щодня.

У людському ембріоні 97% води, у тілі новонародженого – 88%, до п`ятдесятирічного ювілею залишається близько 60% води. Найбільше води в людському              мозку – системі, що керує всім організмом і в якій відбуваються найважливіші реакції.

Вода в географії

Неодноразово ми  спостерігали  льодохід на воді. Ще більш захоплюючим видовищем є айсберги – «крижані гори» великих розмірів. Айсберги – це уламки материкового льоду, що відірвалися від льодовика  або льодового бар`єру і плавають між полярними льодами або в прилеглих до них акваторіях.

Середня висота надводної частини айсберга сягає 50-70 м, максимальна висота – 450 м. Найбільша довжина підводної частини може становити 130 км. Об`єм надводної частини айсберга складає невелику частину його об`єму.

Потрапляючи в теплі води, нижня частина айсберга починає танути, внаслідок чого його центр тяжіння переміщується вище точки прикладання виштовхувальної сили. Рівновага такого айсберга порушується і він із шумом перевертається. У спокійному морі за відсутності вітру айсберг, нижня частина якого тане, перебуває у стані нестійкої рівноваги і починає розгойдуватися. В цей час навіть робота двигуна корабля, що пропливає поблизу, може стати причиною перевертання айсберга, що дуже небезпечно.

Внаслідок танення айсбергів у південних районах північних морів солоність води знижується. Там же в процесі танення айсбергів скидають на дно морів захоплену ними морену (скупчення несортованого уламкового матеріалу, який переноситься і відкладається льодовиками), а іноді й досить великі уламки скель. Саме таким чином гладенька галька потрапляє на дно арктичного басейну: примерзаючи до криги поблизу берегів, галька разом з айсбергом потрапляє в океан і опускається на дно після того, як лід розтане.

Вода в астрономії

 Складові молекули води – Гідроген та Оксиген – належать до шести найпоширеніших елементів космосу.

 Осередки з молекул води виявили за межами нашої Сонячної системи. В сузір‘ях Кассіопеї та Оріона знайдено газові хмари, що складаються з молекул води. Розміри цих хмар – велетенські: ніж відстань від Землі до Сонця. Інколи на Землю падають залишки кометних ядер – «посланці» далеких світів. Найчастіше – це гігантські брили льоду, замерзлого метану, аміаку та мінеральних частинок. Маса таких брил сягає сотень кілограмів.

1998 року на заході штату Техас упав метеорит, у якому вчені виявили воду позаземного походження. У лабораторії метеорит розрізали та знайшли всередині фіолетові кристали кам‘яної. У крихітних «кишенях» кристалів була вода.

 На думку вчених, це доказ того, що на космічному тілі, з якого утворилися метеорити, колись була вода. Водночас у техаському метеориті знайдено найдревніші компоненти раннього періоду формування Сонячної системи. Отже, вік води у техаському метеориті – 4,5 млрд років!

 Енцелад - це невеликий  супутник Сатурна. Його діаметр – лише 500км. Відкритий у 1789 р. Гершелем, Енцелад не привертав особливої уваги, доки міжпланетний апарат «Кассіні» не виявив, що на його поверхні вивергаються водяні гейзери. Середня густина Енцелада 1,1 г/см³, вона вказує на переважно водний склад його надр. Проте ніхто не здогадувався, що на поверхні супутника б‘ють фонтани!

 Донедавна астрономи знали тільки три тіла у Сонячній системі, де простежувалася вулканічна активність. Це Іо (супутник Юпітера), земля і Тритон (супутник Нептуна). Новим тілом Енцелад із його водно-льодяними вулканами.

Врятуймо воду

  Учені встановили, що 97,5% всієї  води на нашій планеті – у солоних водах морів та океанів.

 Прісна вода становить 2,5% світових запасів. Але 75% прісної води знаходиться у гірських льодовиках, полярних шапках, 24% - під землею у вигляді ґрунтових вол, а ще 0,5% - у вологому ґрунті. Отже, в  річках, озерах та водоймах міститься 0,01% світових запасів води. Враховуючи значення води для життєдіяльності людини і всього живого на Землі, можна констатувати: вода – найцінніша речовина на Землі.

 Небезпекою нависло нині над людством забруднення річок, озер, морів і океанів. Невпорядкована система забудови узбережжя, витоптування рослинності, побутові та промислові відходи, сільського господарська діяльність призводять до забруднення водойм. Також потрібно враховувати той факт, що людина повсякчас втручається в екосистему: осушує болота, змінює русла річок. Але головна небезпека – промислові стоки: нафтопродукти, солі важких металів, ціаніди, сполуки сірки, феноли. Вони отруюють воду і все живе в ній. Водні ресурси – це національне багатство країни. Україна – найменш забезпечена водними ресурсами держава серед європейських країн. Водночас щодоби кожен мешканець України споживає 320 л води, а під час її транспортування втрачається 2 км³ води, що можна порівняти з річним стоком Південного Бугу.

Очищення води

          Ще 20 років тому люди спокійно пили воду з-під крана, а сьогодні остерігаються навіть перевареної та віддають перевагу купованій воді у пляшках. Часто це виправдано, бо в деяких місцях водогінна вода непридатна для пиття. Проте простіше й дешевше придбати побутовий фільтр.

           Вода з-під крана має присмак хлору, який застосовують при дезінфекції. Цю проблему легко усунути: залишити посудину з водою відкритою на кілька годин або просто прокип’ятити воду – і неприємний присмак зникає. Якщо у вас стара свинцева сантехніка або ж ви берете воду з криниці – не полінуйтеся викликати фахівців, які зроблять аналіз води, і за потреби поставте фільтр.

           Промислова вода є не завжди достатньо чистою для пиття та приготування їжі. Навіть чиста на вигляд вода може містити хімічні домішки, бактерії на інші мікроорганізми, які можуть становити загрозу для життя і здоров’я людини. Тому необхідним є очищення води.

                            Етапи промислового очищення води 

         1. Продування повітрям – насичення киснем води і усунення інших газів.

         2. Коагуляція – злипання домішок.

         3. Седиментація – осідання домішок на дно.

         4. Фільтрація – пропускання рідин крізь пористий матеріал з метою відділення домішок.

         5. Дезінфекція – знищення хвороботворних мікроорганізмів.

Дослідження проб води

Чи досить чиста вода нашого краю? Щоб відповісти на це запитання, потрібно провести декілька дослідів.

 Дослід 1. Для дослідів беру реактиви та проби води. Розглядаю проби і даю відповідь на запитання:  Яка проба води зовні найпрозоріша та чистіша?

         Яка проба належить до яких джерел, де вода з криниці, де -             водопровідна, а  де – ставкова?

Дослідження твердості води

 Твердість води – це ознака здатності води утворювати піну. А не піниться вода, тому що мило з іонами Ca²⁺  та Mg²⁺ утворює нерозчинні солі, які осідають на дно. Наявність іонів кальцію призводить до утворення накипу на посуді під час кип'ятіння води, іонів магнію – до гіркого смаку води.

 Дослід 2. Наливаю в пробірки по черзі кожну пробу. До кожної пробірки додаю мильний розчин, збовтую воду в пробірці. Порівнюю кількість піни. Визначаю до яких джерел належить вода із самою твердою водою. Твердість води з криниці можна легко пояснити, користуючись знаннями з географії.

                  Ще один аспект якості води - це наявність в ній шкідливих для живих організмів катіонів і аніонів. До отруйних катіонів відносяться: Ba²⁺, Pb²⁺, до отруйних аніонів – S^2-, PО^3-, NO₃^-.

Дослідження наявності у воді катіонів і аніонів

 Дослід 3. Наливаю у пробірки проби, по черзі додаючи  до них сульфатної кислоти. Помутніння в пробірці буде свідчити про наявність катіонів. Наливаю повторно проби та додаю  в кожну з них розчин цинк хлориду. Ознакою наявності фосфат – та сульфід – аніонів буде помутніння розчину або випадання осаду.

За даними санепідемстанції, які зробили аналіз хімічного складу води річки Самари і ставка біля села Богинівки, ґрунтові води не відповідають вимогам, вода питна – по сумарній мінералізації перевищена в 2,1 рази, по вмісту нітратів та сульфатів – перевищена в 5,6 рази, по твердості – перевищують в 3,6 рази.

 Горизонт не захищений проти забруднень, які поступають з поверхні ґрунту, підвищений вміст нітратів свідчить про значне органічне забруднення.

 Неглибоке залягання горизонту(2,5м) не захищає від проникнення патогенної фауни. Постійне використання даної води без додаткової очистки для питних цілей   небажане. Вода з криниць на перший погляд  чиста, але із-за засоленості використовувати її як питну шкідливо для здоров'я. Потрібно використовувати очищену воду.

Фізичний практикум

Модель саморобного психометра

               За різних умов повітря містить різну кількість водяної пари. Якщо вітер переносить вологе повітря з поверхні морів і річок у кам’янисту пустелю, утворюється роса. Ця конденсаційна волога відіграє важливу роль у природі. Атмосферні опади нерівномірно розподіляються по планеті. У пустелях упродовж багатьох років не випадає жодної краплини дощу. В інших частинах планети дощі спричиняють справжні потопи. Тому важливим показнім є вологість повітря. Його можна виміряти за допомогою приладів: гігрометра та психрометра. Якщо є хоча б один термометр, психрометр можна виготовити самостійно.

  Обладнання: один або два термометра, вата, склянка з водою, психрометричні таблиці

Послідовність виконання роботи

1. Виміряти температуру в приміщенні за допомогою термометра й зафіксувати температуру сухого термометра t.

2. Огорнути резервуар термометра шматочком вати.

3. Капнути на вату калька капель води, температура термометра знизиться. Зафіксувати температуру вологого термометра .

4. Обчислити різницю між показами сухого й вологого термометра .

5. За даними психрометричних таблиць і значенням t, , обчислити відносну вологість повітря в приміщенні.

Модель саморобного фільтра

 Обладнання: пластикова пляшка, ніж, вата, дрібний пісок, активоване вугілля, грубий пісок, дрібне каміння, крупне каміння.

Послідовність виконання роботи

1. Розрізати пластикову пляшку в поперек на дві частини.

2. Перевернути пляшку горлечком до низу. Відкрутити пробку.

3. На дно у такій послідовності необхідно скласти рівними шарами: вату, дрібний пісок, активоване вугілля, грубий пісок, дрібне каміння, крупне каміння.

4. Перед використанням пропустити через фільтр 4 – 8 л води.

Модель саморобного опріснювача води

За допомогою простих засобів ми можемо зробити  опріснювач самостійно.

 Обладнання: дві дволітрові пластикові пляшки, трубка від медичної системи, чорна фарба, пластилін, 1 л насиченого розчину солі у воді.

Послідовність виконання роботи

1. Взяти дві однакові пластикові пляшки, одну з них зафарбувати у чорний.

2. У чорну пляшку до половини налити насичений розчин солі у воді.

3. З’єднати пляшки трубкою. Ущільнити за допомогою пластиліну.

4. Виставити пляшки на яскраве сонце, а краще – на підвіконня, чорну покласти вище.

5. Спостерігати, як упродовж кількох діб у прозорій шляпці починає збиратися вода. Можна спробувати її на смак.

Модель для демонстрації плавання тіл

 Говорячи про фізичні властивості води, слід згадати один із законів природи – закон Архімеда. Відомо, що найбільші за розмірами тварини нашої планети живуть саме у воді, адже мають надто велику вагу, щоб пересуватися суходолом. Оскільки середня густина риб наближено дорівнює густині води, то риба зависає у воді без особливих зусиль. Для демонстрації плавання тіл я створив таку модель.

Послідовне виконання роботи

1. Взяти три тенісних кульки. У першій зробити голкою отвір і за допомогою шприца заповнити кульку водою.
2. У другій кульці також зробити невеликий отвір і заповнити її водою,  

залишаючи невелику повітряну камеру.

3. Заклеїти ці отвори в кулях клеєм.

4. Розмістити всі три кульки у склянці з водою. Ми бачимо, що вони   

розмістилися: перша на дні, друга – всередині рідини, третя – на поверхні.

5. Отримана модель добре демонструє умови плавання тіл однакового об‘єму, але різної середньої густини.

Висновки

 Робота над проєктом: відкрила багато цікавих знань не лише з фізики, а й з астрономії, математики, хімії, біології, історії, географії, екології; дала можливість навчитися виготовляти саморобні прилади: психрометр, опріснювач води, фільтр, модель для демонстрації умов плавання тіл.    Найголовніше – це вода є основою життя на Землі, її потрібно охороняти.

Кожен з нас повинен пам’ятати, що природні запаси води обмежені. Необхідно контролювати забруднення фабриками і заводами, повсюди використовувати очисні споруди, не допускати попадання відходів у водойми, економно витрачати воду в побуті. І тоді ще багато століть на нашій планеті буде існувати життя, люди будуть подорожувати по морях і океанах, радіти квітучим садам і різноманіттю тваринного і рослинного світу.

У рамках роботи над проєктом прийняли участь у розповсюдженні інформаційних екологічних листівок на тему «Вода – джерело життя» серед жителів населеного пункту. У них містяться поради щодо раціонального використання водних ресурсів та інформація про наслідки впливу людини на них.

Вода потрібна для життя людини

Людина без води не проживе.

Вода нам треба кожної хвилини,

Без неї в світі згине все живе.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ТА ЛІТЕРАТУРИ

1. Біда Д. Сік життя – Л.: Міські інформаційні мережі, 2007.
2. Вороний О.М. Позаурочна робота з фізики. – Х.: Основа, 2007.
3. Перельман І.В. Цікава фізика. – М.: Просвіта, 2001.
4. Товстий В.П. Енциклопедія. Українці, що удосконалили світ. – Х.: Промінь, 2006.
5. Що? Як? Чому? Світ таємниць Землі. Популярна дитяча енциклопедія. – Х.: Сінтекс, 2003.
6. Юхименко О.І. Вода загадкова і могутня. Фізика в школах України. – Х.: Основа, 2009.