Проект по физике 'Почему возможна зимняя рыбалка' (8 класс)

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Красноподгорная средняя общеобразовательная школа»

Краснослободского муниципального района

Республики Мордовия

Учебно - практическая конференция

исследовательских и проектных

работ учащихся

«Физика: фундаментальные законы и

современные тенденции развития»

Почему возможна зимняя рыбалка?

Выполнил: ученик 7 класса

Ярмина Ирина

Руководитель: учитель физики

Егорова Г.П.

2014г

Тема моей работы «Почему возможна зимняя рыбалка?»

Каждый раз зимой, когда я иду к бабушке, прохожу мимо реки Мокша. И каждый раз, я, наблюдаю одну и ту же картину. Рыбаки сидят на льду и ловят рыбу. И тогда у меня возник вопрос, почему рыбы выживают в такие сильные морозы. Поэтому я решила провести исследование «Почему возможна зимняя рыбалка?» и разобраться в этом вопросе.

Актуальность работы состоит в том, что знания свойств воды необходимы для объяснения условий выживания рыб в замерзших водоемах.

Цель работы: Выяснить, почему выживают рыбы в замерзших реках в сильные морозы.

Задачи: 1) изучить теоретический материал по данной теме

2) провести исследования

Объект исследования: вода-среда обитания рыб.

Предмет исследования: удивительные свойства воды.

Гипотеза: рыбы выживают в сильные морозы, так как среда их обитания обладает удивительными свойствами.

Практическая значимость работы состоит в том, что она может быть использована школьниками для повышения образовательного уровня при изучении разделов физики.

Методы исследования: изучение литературы, проведение опытов, анализ результатов.

I.Введение.

Изучая данный вопрос в энциклопедической, научно-популярной литературе, в Интернет-сети, я выяснила, какую роль играет замерзание воды в жизни рыб. Легко догадаться, что процесс превращения воды в лед играет большую роль в жизни рыб. Но многие не подозревают, каким удивительным является сам факт выживания рыб зимой. Можно без преувеличения сказать, что рыбам, обитающим в замерзающих водоемах, необычайно повезло. Их существование оказывается возможным только потому, что они живут именно в воде, а не в какой-нибудь другой жидкости. Дело в том, что вода обладает двумя удивительными свойствами, которые настолько редки, что даже по отдельности у других веществ почти не встречаются. А для выживания рыб очень важно, чтобы среда обитания обладала двумя такими свойствами одновременно. Поэтому я решила рассмотреть эти свойства.

II.Основная часть

Теоретическая часть

Читая научную литературу, я нашла первое удивительное свойство воды, которое связано с ее тепловым расширением и заключается в том, что она не всегда расширяется при нагревании. Посмотрим на график, на котором изображена зависимость плотности воды от температуры. Мы видим, что при увеличении температуры в интервале от 0°С до 4°С плотность увеличивается, а затем снова начинает уменьшаться. Поэтому, если мы изобразим график зависимости объема некоторой массы воды от температуры, то увидим, что при 4°С он имеет минимум, т.е. в интервале от 0°С до 4°С вода при нагревании не расширяется, а сжимается. Этот факт является удивительным, так как большинство тел при нагревании все-таки не сжимается, а расширяется. Второе удивительное свойство воды связано с тем, что при замерзании ее объем увеличивается. При 0°С плотность воды равна 0,999 г/см ³ , а льда - 0,917 г/см ³ т.е. лед легче воды. У большинства веществ это соотношение является противоположным: твердая фаза тяжелее жидкой. При превращении твердой фазы в жидкую, при плавлении твердых тел, происходит разрушение кристаллической структуры: молекулы, которые в твердом теле образовали жесткую решетку, теряют упорядоченность и получают возможность двигаться хаотически. Как правило среднее расстояние между молекулами при этом увеличивается, а плотность вещества уменьшается. Но вода и здесь оказывается исключением. Каждое из рассмотренных нами свойств является довольно редким. А одновременное наличие этих свойств у одного вещества является уникальным. Кроме воды таких веществ не обнаружено.

Какое отношение к этим свойствам воды имеют рыбы? Оказывается, что если бы вода не обладала рассмотренными нами свойствами, то замерзание реки происходило бы совершенно иначе, а это сделало бы жизнь рыб невозможной. Рассмотрим процесс замерзания более подробно.

При охлаждении реки на дне ее собирается вода, имеющая максимальную плотность, т.е. вода при температуре 4°С. Если бы вода не имела максимума плотности при 4°С, а вела бы себя подобно другим жидкостям, то с уменьшением температуры вплоть до температуры замерзания плотность ее возрастала бы: чем холоднее вода, тем она тяжелее.

Вода становится холодной там, где она граничит с воздухом, т.е. на поверхности водоема. Это значит, что на границе с воздухом все время образовывалась бы вода с большой плотностью, и начала бы под действием тяжести опускаться вниз. Происходило бы перемешивание воды, выравнивающее ее температуру по всему объему. А раз происходило бы выравнивание температуры, то процесс образования льда начинался бы не на поверхности воды, а по всему объему реки. Всюду, где имелись бы частицы ила, песчанки или водоросли, образовались бы центры кристаллизации и начали возникать мелкие кристаллы льда. При такой кристаллизации жабры рыб перестали бы прогонять воду. А поскольку не дышать рыба не может, ее жизнь значительно осложнилась бы.

Но, водоемы не промерзают до дна потому, что образующийся при замерзании лед не тонет, а плавает на поверхности воды, т.к. его плотность меньше , чем плотность воды. При этом лед образует своего рода шубу, которая препятствует обмену теплом между водой и воздухом и существенно замедляет процесс замерзания воды. Благодаря этому рыбы выживают в самые жестокие холода.
III. Практическая часть

Чтобы проверить препятствует ли лед обмену теплом между водой и воздухом, сначала я решила найти, какое количество теплоты выделяется при образовании льда. Я взяла емкость размером 1м на 60см, наполнила ее водой и оставила на улице. Через 5 дней прорубила отверстие в толще льда, я измерила его толщину линейкой. Получила такие результаты:

Толщина льда h=8см=0,08м

Нашла площадь поверхности льда S =0,6м·1м=0,6м².

Расчитала объем льда V=Sh, V=0,6м²· 0,08м=0,048м³

Нашла массу льда: m=ρV, где плотность льда ρ=920кг/м³. m= 920кг/м³· 0,048м³=44,16кг.

Нашла количество теплоты, которое выделилось при замерзании льда Q=λm, где удельная теплота плавления λ=3,4·10⁵Дж/кг.

Q=3,4·10⁵Дж/кг·44,16кг=1,5·10⁷ Дж

Поэтому, я решила выяснить, какое количество теплоты передает более нагретый участок плоскости менее нагретому параллельному участку. Так как лед и вода находятся при одной температуре, то теплообмен между ними прекращается, т.е. среда в которой отсутствует перепад температур, не проводит тепла.

Чтобы проверить, я взяла две кастрюли. Маленькая кастрюля плавает в большой кастрюле. Большую кастрюлю я поставила на огонь и довела воду до кипения. Я думала, что вода, которая находится в маленькой кастрюле, тоже закипит, но этого не произошло. Учитель мне напомнил, что для кипения не достаточно нагреть воду до 100°С - необходимо дополнительно сообщать ей тепло. Для того чтобы 1г воды при температуре 100°С превратить в пар, имеющий ту же температуру, необходимо затратить 2260 Дж теплоты. Если же просто нагреть воду до кипения, но тепла из вне ей не сообщать, кипеть она не будет. Именно это и происходит в случае двух кастрюль. Когда температура воды в маленькой и большой кастрюлях станет равной 100°С, разность температур станет равной нулю и поток тепла в малую кастрюлю тоже будет равна нулю. Нет потока тепла - нет и кипения. Таким образом я получила, при выравнивании температур теплообмен между телами прекратился.

На основании этого опыта, я сделала вывод, что вода совершенно не забирает тепла, выделяющегося при замерзании воды.

Теперь осталось выяснить, куда девается выделившееся количество теплоты при образовании льда.

Я рассуждала таким образом. Лед образуется на границе с водой при температуре 0°С, а через некоторое время толщина льда возрастает, и тот слой льда, который раньше находился на границе с водой становится внутренним. При этом температура его понижается. И температура верхних слоев льда близка к температуре воздуха, т.е. отрицательна, а ведь образовались они тоже при температуре 0°С. Теперь очевидно, что температура льда непрерывно понижается, а все тепло выделяющееся при замерзании воды не поглощается льдом, а полностью передается воздуху.

На основании этих рассуждений я сделала вывод: лед образует своего рода шубу, которая препятствует обмену теплом между водой и воздухом и существенно замедляет процесс замерзания воды.

Заключение

В результате своей работы, я пришла к выводу, что если бы вода вела себя так, как остальные жидкости, жизнь рыб в замерзающих водоемах оказалась бы не возможной. Только уникальность воды, которая проявляется в том, что вода одновременно обладает обоими редкими свойствами, позволяет рыбам выжить зимой.

Используемая литература

1. С.С. Хилькевич «Физика вокруг нас» Библиотечка «Квант» выпуск 40

2. Журнал «Рыбачьте с нами» №4 2014г.

Интернет - сайты

...

ribalka.ucoz.org/publ/knigi/39

https://play.google.com/store/apps/?...