X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В ФГОС общего образования говорится о необходимости выполнения учащимися самостоятельных исследований, экспериментов и выполнение творческих проектов. Данный материал может быть полезен тем, кто занимается научной деятельностью в этой сфере. Также и тем, кто выполняет проектно-исследовательские работы по физике, биологии, географии, химии. Приведем пример такой работы, которую мы провели в роли обучающегося.

Древнегреческие философы считали воду простым веществом. Человек состоит на 60% из воды, поэтому она является незаменимым элементом в жизни человека. Вода - это второе по значимости вещество, без которого существование человека невозможно. Вода существует в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном.

По нормам качества, определяющим концентрацию воды, различают питьевую, сточные и природные воды. Омская область является одним из многих регионов страны, где продолжает оставаться нерешенной проблема загрязнения водных ресурсов. Именно поэтому эта тема является актуальной, так как постоянно выбрасываются отходы в воду, которые ей вредят. И поэтому могут меняться такие характеристики как: плотность, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения и температура кристаллизации.

Плотность – это масса жидкости, заключенная в единице объема, и находится по формуле [2]

_ (1)

где ρ-плотность жидкости, m- масса жидкости, V-объем жидкости.

Вязкость газов (то же относится и к жидкостям) - это свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения различных слоев газа. [1]

Коэффициент поверхностного натяжения ϭ является характеристикой жидкостей и твердых веществ. Коэффициент ϭ жидкостей можно определить через работу внешних сил, затраченную на единицу площади поверхности при постоянной температуре. Формула, по которой можно найти ϭ [3]:

_ (2)

Процесс образования твердого тела при охлаждении жидкости есть процесс образования кристалла (кристаллизация), который происходит при определенной температуре- температуре кристаллизации или отвердевания. Так как при таком превращении энергия уменьшается, это сопровождается выделением энергии в виде скрытой теплоты кристаллизации [1].

Для определения кинематической вязкости жидкости был использован капиллярный вискозиметр, который закреплялся в вертикальном положении с помощью штатива. Исследуемая жидкость заливалась через воронку так, чтобы резервуар был полностью заполнен. С помощью насоса жидкость перегоняли по капилляру вверх в малый резервуар, так чтобы уровень воды был выше верхней метки (см.рис.1). В капилляре необходимо отсутствие пузырьков воздуха и пустот. При отключении насоса жидкость стекала вниз через капилляр, длина и радиус которого в процессе измерений были неизменны.

Рис.1. Капиллярный вискозиметр.

Для определения кинематической вязкости измерялось время протекания воды по капилляру с помощью секундомера с погрешностью 0,01с. Секундомер включали, когда жидкость достигала верхней метки (см. рис.1), и отключали его, когда жидкость дойдет по нижней метки. Для этого воспользовались формулой:

(3)

где С - постоянная прибора и равна С = 0,09261^.10^-6 м²/с² (указана в паспорте прибора).

Для определения динамической вязкости жидкости воспользуемся формулой:

_ (4)

 - кинематическая вязкость, ρ - плотность

Для определения поверхностного натяжения был использован прибор Ребиндера.

В самом начале эксперимента определили постоянную прибора (А). Для этого нужно было сосуд 1 и кончик капилляра ополоснуть дистиллированной водой (см. рис 2).

После, когда давление было одинаково во всех отсеках установки, записали показание L0=12 см. Затем медленно открывали кран 4 аспиратора 3, делали это так, чтобы пузырьки проскальзывали с большим интервалом во времени.

Рис.2. Схема прибора Ребиндера

Определение температуры кристаллизации проводят в приборе Баумана-Фрома (рис 3). В сосуд 3 помещают насадку 1 с двумя круглыми отверстиями для термометра 4 и мешалки 5. Термометр и мешалку укрепляют в отверстиях на кольцах 2. Цилиндрический сосуд с насадкой находится в широкой пробирке 6. Весь прибор помещают в стакан емкостью 500 мл. [4]

Рис.3. Прибор Баумана-Фрома

Также температуру кристаллизации можно определить графически

Рис. 4. Определение температуры кристаллизации графически

Для построения данной кривой отмечают изменение температуры через определенный промежуток времени, например, через 30 секунд. Температуру (в °С) откладывают по оси ординат, а время (в секундах) - по оси абсцисс. За температуру кристаллизации принимают температуру, соответствующую горизонтальному участку кривой.

Проведя все эксперименты получили следующие данные на примере жидкости: Иртыш, озеро Калач, Река Омь, вода из-под крана, вода из скважины.

Таблица 1 – Определение плотности воды и коэффициента вязкости жидкости

Жидкость	t, c	ν, м2/с	ρ, кг/м3	ƞ, Па.с
Озеро Калач	11,56	1,0706.10-6	999,55	1,07.10-2
Иртыш	11,95	1,1067.10-6	1021,4	1,13.10-2
Река Омь	11,50	1,065.10-6	992,05	1,057.10-2
Вода из крана	11,43	1,0585.10-6	1000,15	1,059.10-2
Вода из скважины	11,77	1,09.10-6	1015,05	1,106.10-2

Таблица 2 – Погрешности данных измерений

Жидкость	Ɛp	Δρ, кг/м3	Ɛv	Δv, м2/c	Ɛƞ	Δƞ,Па.с
Озеро Калач	0,050	50	8,7.10-4	9,26125.10-10	0,050008	5.10-4
Иртыш	0,050	51	8,4.10-4	9,26109.10-10	0,050008	6.10-4
Река Омь	0,050	50	8,7.10-4	9,26087.10-10	0,050008	5.10-4
Вода из крана	0,050	50	8,7.10-4	9,26072.10-10	0,050008	5.10-4
Вода из скважины	0,050	51	8,5.10-4	9,26083.10-10	0,050008	6.10-4

Из результатов, которые представлены в таблице 1 и таблице 2, можно сделать вывод о том, что исследуемые жидкости практически одинаковы. Исходя из погрешностей, полученных в результате измерений, можно сказать, что жидкости обладают одинаковыми свойствами, такими как плотность жидкости и динамическая вязкость. Кинематическая вязкость для образцов 2 (вода из реки Иртыш) и 4 (вода из скважины) выше, чем у других образцов, и это превышение больше погрешности измерения.

Таблица 3 – Определение поверхностного натяжения

Жидкость	L0 , см	L, см	ΔL, см	Ϭ, Н/м
Озеро Калач	12,2	15,9	3,7	84,175.10-3
Иртыш	12	16,1	4,1	93,275.10-3
Река Омь	12,1	16	3,9	88,725.10-3
Вода из крана	11,8	15,9	4,1	93,275.10-3
Вода из скважины	12	16	4	91.10-3

Из полученных результатов можно сделать вывод, что коэффициент поверхностного натяжения у Иртыша и воды из крана одинаков ϭ = 93,275^.10^-3 Н/м. У остальных жидкостей ϭ меньше, что может быть связано с наличием поверхностно-активных веществ в их составе.

Таблица 4 – Определение температуры кристаллизации:

Жидкость	Температура замерзания, оС
Озеро Калач	-0,5
Иртыш	-2,6
Река Омь	-2,4
Вода из крана	-2,5
Вода из скважины	-3,5

Эти данные (на основе таблицы 4) показывают, что кристаллизация у разных жидкостей происходит при различных температурах. Отразили на графике изменение температуры через определенный промежуток времени.

Диаграмма изменения температуры различных жидкостей.

Линия под номером 1 соответствует жидкость из озера Калач; линия под номером 2- вода из крана; линия под номером 3 - река Омь; линия под номером 4 - река Иртыш; линия под номером 5 - вода из скважины.

За температуру кристаллизации принимали температуру, соответствующую горизонтальному участку кривой.

Из экспериментальных данных можно сделать вывод, что замерзание воды из скважины, которая была солоноватой, происходит намного дольше остальных исследуемых жидкостей. Это с связано с тем, что солоноватые воды обладают более высокой плотностью чем пресные воды. И поэтому для замерзания такой воды требуется низкая температура.

Выполнение такой проектно-исследовательской работы позволит развить у обучающегося следующие универсальные учебные действия: личностные (умение выделять нравственный характер поведения, соотнести поступки с моральными нормами и этическими принципами; формирование жизненного, личностного и профессионального самоопределения), регулятивные (целеполагание, планирование, прогнозирование, контроль, коррекция),познавательные (самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели; поиск и выделение необходимой информации; применение методов информационного поиска, в том числе с помощью компьютерных средств; выдвижение гипотез и их обоснование; выбор оснований и критериев для сравнения, сериации, классификации объектов), коммуникативные (планирование учебного сотрудничества с учителем и сверстниками – определение цели, функций участников, способов взаимодействия; умение с достаточно полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации; владение монологической и диалогической формами речи в соответствии с грамматическими и синтаксическими нормами родного языка).

Библиографический список:

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика: Учебное пособие. 4-е изд., стер.- СПб.: Издательство «Лань», 2008.

2. Курс лекций по дисциплине «Гидравлика» для студентов строительных специальностей очной формы обучения (технология 30/70) / Составитель А.В. Калинин, И.А. Лушкин. – Тольятти: ТГУ, 2007.

3. Молекулярная физика: лабораторный практикум / авт.-сост.: П.П. Бобров, Т.А. Беляева, Г.А. Барсукова. – Омск: Издательство ОмГПУ, 2015.

4. Рахманкулов Д.Л. Технический анализ продуктов органического синтеза. 1976.

Код для цитирования: Скопировать