Позакласний захід в рамках декади STEM освіти в школі "Консиліум "Неповторний світ сніжинки"

Консиліум «Неповторний світ сніжинки»

Доброго дня, шановні присутні!

Я вітаю учасників нашого наукового консиліуму.

Тема консиліуму: «Неповторний світ сніжинки»

Консиліум (лат. consilium нарада, обговорення) — нарада представників  різних спеціальностей або різних галузей наук. Консиліум проводиться  для встановлення стану вивчення певного об`єкту з метою його популяризації та  поглибленого вивчення.

Сьогодні об`єктом нашого досліждення стала звичайна сніжинка – неповторна окраса світу природи, природнє явище, яке нами не досліджено.

Учасниками консиліуму є представники різних галузей наук, а саме математик – Мохова О.П., галузь інформаційних технологій представляє вчитель інформаики, хімік дослідник – учень 11 класу, експерт з фізики – учень 11 класу, географ – учень 10 класу,  вчений-  кристалограф – учень 11 класу, менеджер з туризму – учень 11 класу.

Наша основна мета сьогодні – найбільш повно охарактеризувати сніжинку як неповторне явище природнього середовища,  провести аналіз явища представниками різних наук.

А чи знаєте Ви що…

Розпочнемо нашу роботу з цікавих фактів із життя сніжинок

Звичайна сніжинка важить близько міліграма (дуже рідко 2-3 міліграма). Але мільярди 'невагомих' сніжинок здатні вплинути навіть на швидкість обертання Землі.

Тільки в серпні, в період найменшої засніженості Землі, коли

снігом буває покрито 8,7% всієї поверхні планети, сніговий покрив

важить 7400 мільярдів тонн. А до кінця зими в північній півкулі маса

сезонного снігу сягає 13 500 мільярдів тонн.

Але сніг впливає на Землю не тільки своєю вагою. сніговий

покров відбиває в космос майже 90% променистої енергії Сонця. Вільна

від снігу суша відображає тільки 10, максимум 20%.

Сніжинки складаються на 95% з повітря, що обумовлює низьку щільність і порівняно повільну швидкість падіння (0,9 км / год).

• Більше половини населення земної кулі ніколи не бачила снігу, хіба тільки на фотографіях.

• Лід неоднаково холодний. Є дуже холодний лід, з температурою близько мінус 60 градусів Цельсія, це лід деяких антарктичних льодовиків. Набагато тепліше лід гренландських льодовиків. Його температура дорівнює приблизно мінус 28 градусів. Зовсім 'теплі льоди' (з температурою близько 0 градусів Цельсія) лежать на вершинах Альп і Скандинавських гір.

• 26,4 мільйонів доларів американські вчені витратили на з'ясування того факту, що сніжинки утворюються безпосередньо з пара, минаючи стадію дощу.

• До цих пір не вдалося знайти серед сніжинок двох однакових, їх можна об`єднати в  різноманітні групи.

Звичайна сніжинка важить близько міліграма (дуже рідко 2-3 міліграма, хоча

бувають і винятки - найбільші сніжинки випали 30 квітня 1944 року в Москві. Спіймані на долоню, вони закривали її майже всю цілком і нагадували пір'я страуса).

Перегляд відео «Знаете ли Вы, что…»

Вчитель:

У звичайний снігопад ми не замислюємося, що звичайна сніжинка при

вивченні її в мікроскопі, може представляти із себе не менш прекрасне видовище і вражати нас правильністю та складністю форм. Черговий крок у вивченні властивостей найбільш відомих природних кристалів - сніжинок - зроблений професором фізики Кеннетом Ліббрехтом з Каліфорнійського технологічного інституту. У лабораторії професора Ліббрехта сніжинки вирощуються штучно.

«Я намагаюся з'ясувати динаміку формування кристалів на молекулярному рівні, - коментує професор. - Це непросте завдання, і крижані кристали приховують безліч секретів ».

Сніжинка - складна симетрична структура, що складається з кристалів льоду, зібраних разом. Варіантів «збирання» безліч - до сих пір не вдалося знайти серед сніжинок двох однакових. Дослідження, проведені в лабораторії Ліббрехта, підтверджують цей факт - кристалічні структури можна виростити штучно або спостерігати в природі. Існує навіть класифікація сніжинок, але, незважаючи на загальні закони побудови, сніжинки все одно будуть трохи відрізнятися один від одного навіть в разі відносно простих структур.

Навіть неозброєним поглядом розглядаючи сніжинки, можна помітити, що жодна з них не повторює іншу. Передбачається, що в одному кубічному метрі снігу знаходиться 350 мільйонів сніжинок, кожна з яких унікальна. Не буває п'ятикутний чи семикутна сніжинок, всі вони мають строго шестикутну форму.

Ця  невелика добірка фотографій сніжинок  напевно переконає вас у тому, що так обридле за зиму явище випадання снігу складається з такої ось краси.

ПРЕЗЕНТАЦІЯ «Неповторний світ сніжинок»

 Повні ідеальної гармонії конструкції снігових кристалів вже протягом багатьох років викликають інтерес людей. Ще в 1635 році французький філософ і математик Рене Декарт, писав, що сніжинки схожі на трояндочки, лілії і коліщатка з шістьма зубцями.

Великий астроном Йоганн Кеплер в своєму трактаті «Новорічний дар. Про шестикутні сніжинки »пояснив форму кристалів волею Божою. Японський вчений Накая Укітіро називав сніг «листом з небес, написаним таємними ієрогліфами». Він першим створив класифікацію сніжинок. Іменем Накая названий єдиний в світі музей сніжинок, розташований на острові Хоккайдо.

Менеджер з туризму

Японія - це країна, яка традиційно асоціюється з цвітінням сакури. Однак насолоду скороминущої красою - це поняття, яке включає в себе щось більше, ніж милування ніжними квітами. І з цієї точки зору унікальний Музей сніжинок, розташований на острові Хоккайдо, повністю відповідає концепції японської культури.

Засновником Музею сніжинок став Накая Укітіро. Це японський вчений-фізик, відомий своїми дослідженнями в області гляціології і фізики низьких температур. Звучить, звичайно, не дуже захоплююче. Насправді ж ми маємо справу практично з поезією. Сніжинка більш ніж на 90% складається з повітря, і тому вона падає настільки повільно, що ми встигаємо насолодитися її красою. При цьому, як довів Накая Укітіро, все сніжинки мають форму, залежну від температури навколишнього їхнього середовища. Якщо на шляху снігового кристалика зустрічається потік більш холодного повітря, він витягується в стовпчик, якщо більш теплого - формуються пластинки, які завжди мають шестикутну форму. А найцікавіше, жодна сніжинка по своєму малюнку не повторює іншу. А тепер уявіть, що в одному кубічному метрі снігу міститься 350000000 сніжинок, і серед них немає двох однакових! Ось цьому чуду природи і присвячений Музей сніжинок на острові Хоккайдо, Японія.

Будівля Музею сніжинок зовсім невелике. Своєю архітектурою воно нагадує, швидше, європейські замки, ніж традиційні японські будинки. В експозиції музею представлено дуже багато якісних макрофотографій сніжинок. При цьому експозиція музею просто вражає уяву. Всі ці знімки дуже зручно розглядати, проходячи по крижаній галереї з чудовою розписом на стелі, і гвинтових сходах, прикрашеної мереживом з металевих сніжинок. До слова, сам музей розташований в природних снігових печерах, спеціально підготовлених для прийому відвідувачів, тому тут завжди прохолодно. Тут є зал, в якому часто проводять концерти чи лекції.

У місті Асахікава, в якому і знаходиться музей, є й інші пам'ятки (наприклад, науковий центр і планетарій, літературний музей і т.д.). Через місто протікає кілька річок, і в цілому в місті налічується 740 мостів. А на початку або середині лютого тут обов'язково проводять снігові свята!

Адреса музею 3-1-1 Kamuicho Harushinai, Asahikawa

Вчитель: У 1932 році фізик-ядерник Укіхіро Накайя, професор Університету в Хоккайдо, зайнявся вирощуванням штучних снігових кристалів, що дозволило скласти першу класифікацію сніжинок і виявити залежність величини і форми цих утворень від температури і вологості повітря. У місті Кага, розташованому на західному березі острова Хонсю, існує заснований Укіхіро Накайя Музей снігу та льоду, що носить тепер його ім'я, символічно збудований у вигляді трьох шестикутників. У музеї зберігається машина для отримання сніжинок. Накайя виділив серед сніжинок 41 індивідуальний морфологічний тип, а метеорологи С. мага і Сю Лі в 1966 році описали вже 80 типів кристалів.

Презентація «Музей сніжинок»

Кристалограф. Я представляю сьогодні галузь науки, яка ще достатньо молода. Ця галузь має назву кристалографія.

Як нам стало відомо, знайти пару абсолютно однакових сніжинок практично неможливо, хоча вони можуть бути дуже схожими між собою. Це одна з тих давніх столітніх таємниць, розкрити  яку сьогодні може процес комп'ютерного моделювання. А перший крок на шляху до розгадки зробив в 1611 році в Празі вчений Іоганн Кеплер, коли у своєму жартівливому трактаті, присвяченому сніжинки і подарованому своєму благодійнику, придворному раднику Іоганну Вакгеру фон Вакенфельсу, відзначив, що всі вони мають шість граней і одну вісь симетрії. Великий астроном пов'язав цю особливість з характером розташування частинок, з яких складаються сніжинки, тим самим заклавши основи науки кристалографії.

Хімік

Основа для формування сніжинки, її крихітне ядро - це крижані або сторонні порошинки в хмарах. Молекули води, хаотично переміщаються у вигляді водяної пари, проходять через хмари, то разом з температурою вони втрачають і швидкість. Все більше і більше шестикутних молекул води приєднується до зростаючої сніжинки в певних місцях, надаючи їй чітку форму. При цьому опуклі ділянки сніжинки ростуть швидше. Так, при першому варіанті з  шестигранної пластинки виростає шестипроменева  зірочка.

• На думку фахівців в цій області, головна особливість, яка

визначає форму кристала, - це міцний зв'язок між молекулами

води, що подібно з'єднанню ланок у ланцюзі. Крім того, через різне співвідношення тепла і вологи кристали, які в принципі повинні бути однаковими, набувають різну форму. Стикаючись на своєму шляху з переохолодженими дрібними крапельками, сніжинка спрощується за формою, зберігаючи при цьому симетрію.

Для визначення факторів, які впливають на формування сніжинки прошу переглянути відео ролик. «Как формируются снежинки»

Географ

 У 1951 році Міжнародна Комісія з Снігу і Льоду прийняла

класифікацію твердих опадів. Відповідно до неї всі снігові кристали можна розділити на наступні групи: зірчасті дендрити, пластинки, стовпці, голки, просторові дендрити, стовпці з наконечником і неправильні форми. До них додалися ще три види обледенілих опадів: дрібна снігова крупка, крижана крупа і град.

Колір льоду залежить від його віку і може бути використаний для оцінки

його міцності. Океанічний лід в перший рік свого життя білий, тому що він насичений повітряними бульбашками, від стінок яких світло відбивається відразу ж, не встигнувши поглинутися. Влітку поверхня льоду тане, втрачає міцність, і під вагою лягають зверху нових шарів бульбашки повітря стискаються і зникають зовсім. Світло всередині льоду проходить більший шлях, ніж раніше, і виходить назовні, маючи блакитно-зелений відтінок. Блакитний лід старше, щільніше і міцніше білого «пінистого», насиченого повітрям. Полярні дослідники це знають і вибирають для своїх плавучих баз, наукових станцій і льодових аеродромів надійні блакитні та зелені крижини.

Фізик А я хочу відповісти на питання, яке доволі часто задають як діти так і дорослі. Чому скрипить сніг?

Скрип снігу - це всього лише шум від розчавлює кристаликів.

Зрозуміло, людське вухо не може сприйняти звук однієї «зламаною» сніжинки. Але міріади розчавлених кристаликів створюють цілком виразний скрип. Скрипить сніг лише в мороз, а тональність скрипу змінюється в залежності від температури повітря - чим міцніше мороз, тим вище тон скрипу. Вчені зробили акустичні вимірювання і встановили, що в спектрі скрипу снігу є два пологих і не різко виражених максимуму - в діапазоні 250-400 Гц і 1000-1600 Гц. У більшості випадків низькочастотний максимум на кілька децибел перевищує високочастотний. Якщо температура повітря вище мінус 6 ° C, високочастотний максимум згладжується і повністю зникає. Посилення морозів робить крижані кристалики більш твердими й тендітними. При кожному кроці крижані голки ламаються, акустичний спектр скрипу зміщується в область високих частот.

Сучасним вченим вдалося зняти за допомогою спеціальної апаратури процес формування та зміни сніжинки, який я пропоную переглянути.                 Відео «Образование кристаллов и снежинок»

Вчитель:

 Існує ще одна таємниця, притаманна будові сніжинки. У ній порядок і хаос співіснують разом.

 Отже ми маємо певні висновки:

Залежно від умов  тверде тіло має знаходитися або в кристалічному (коли атоми впорядковані), або в аморфному (коли атоми утворюють випадкову сітку) стані. Сніжинки ж мають гексагональну решітку, в якій атоми кисню збудовані впорядковано, утворюючи правильні шестикутники, а атоми водню розташовані хаотично.

 У наші дні вивчення сніжинок перетворилося в науку. І диваків всерйоз займатися цим чимало. Ще в 1555 році швейцарським дослідником Мангусом  були зроблені  перші замальовки форм сніжинок. З винаходом фотографії 150 років тому число знятих сніжинок стало обчислюватися тисячами. У 1955 році російський вчений А. Заморський розділив сніжинки на 9 класів і 48 видів. Це - пластинки, голки, зірки, їжаки, стовпчики, пушинки, запонки, призми, групові. Цілими днями зайнятий вирощуванням сніжинок «мороз-воєвода», завідувач відділенням фізики в Технологічному інституті Каліфорнії, Кен Ліббрехт . Вчений присвятив себе сніговим кристалам близько п'яти років тому і зараз його веб-сторінка містить цілу фотогалерею зимових красунь. Спільно з фотографом Патрісією Расмуссен фізик планує видати книгу, в яку увійдуть найбільш фотогенічні сніжинки.Більше інформації з даного питання Ви можете знайти за адресою  http://www.its.caltech.edu/~atomic/.

А зараз я надаю слово вчителю інформатики.

Вчитель інформатики:

Американські дослідники - професор математики Янко Гравнер (Janko Gravner) з Каліфорнійського університету в Девісі (University of California-Davis) і Девід Гріффіт (David Griffeath) з Університету Вісконсіна-Медісона (University of Wisconsin-Madison) - за допомогою комп'ютера навчилися достовірно моделювати утворення реальних тривимірних сніжинок - тобто вони вирішили нарешті задачу, яка до цих пір не піддавалася всім зусиллям учених. Такі модельовані сніжинки отримали найменування "сніжних фальшивок", псевдоснежінок - snowfakes (очевидна гра слів, адже сніжинки по-англійськи іменуються 'snowflakes').

Модель, побудована Гравнером і Гриффітом, враховує безліч коефіцієнтів і параметрів - атмосферний тиск, температуру, концентрацію парів та інше. Варіюючи ці коефіцієнти (тобто змінюючи початкові умови утворення сніжинок), дослідники зуміли відтворити досить обширний ряд природних форм сніжинок. Замість того, щоб моделювати поведінку кожної молекули води, програма просто ділить простір на клітини поперечником в один мікрометр. Моделювання однієї сніжинки займає на звичайному настільному комп'ютері приблизно добу. Як і в реальному світі, комп'ютерні сніжинки з найбільшою ймовірністю відрощували голки. А класична шестикутна "деревоподібна" або периста сніжинка народжувалася відносно рідко (також, як в природних умовах). Взагалі, в малюнках сніжинок зустрічаються платівки, піраміди, стовпчики, голки, стріли, прості і складні зірочки ... Гравнер і Гріффін зуміли також отримати деякі незвичайні нові форми сніжинок, на кшталт "butterflake" - тобто схожі на трьох склеєних між собою метеликів. У природі подібні форми не з'являються через свою виняткову крихкості і нестійкості. Деякою несподіванкою став той факт, що комп'ютерні сніжинки зуміли здобути і яскраво виражене третій вимір - з'явилися структури, що ростуть між двома пластинами. Цю особливість серед реальних сніжинок спостерігати досить складно, однак при особливо допитливих дослідженнях за участю електронних мікроскопів вона також була вже відзначена.

Вчитель:

Переходимо до практичної частини нашого зібрання. Я попрошу присутніх об`єднатися в групи по 2 та зайняти місця біля комп`ютерів. Ваша задача разом з нами зробити перші кроки в моделюванні сніжинок.

Завдання в програмі PowerPoint.

Вчитель:

А завершити нашу зустріч я б хотіла словами ще одного відомого дослідника льодяної краси  професора Бентлі.  У 1920-х рр. тисячі людей знали Бентлі не по імені, а як "Людину-сніжинку" (Snowflake Man). У 1924 році він отримав нагороду від Американського метеорологічного товариства "за 40 років надзвичайно наполегливої роботи", що стало визнанням наукового значення його досліджень. "Кожна сніжинка має неймовірну красу, яка посилюється усвідомленням того, що дослідник, скоріш за все, ніколи не знайде іншу таку саму. Отже, фотографування цих швидкоминучих витворів природи дає досліднику відчуття першовідкривача. Крім того, об'єднавши у виготовленні сніжинки найвищу майстерність і витонченість, природа робить найкрасивіші зразки тонкими, ніби спеціально адаптованими для мікрофотографічних досліджень".

Я бажаю Вам успіхів у дослідженні навколишнього світу!