Сборник отчетов о проведенных участниками исследованиях

Школа-турнир по физике для учащихся 9-11
классов
«Вначале было измерение…»
СБОРНИК
отчетов о проведенных участниками исследованиях
Составитель: зав. КОФ УдГУ Милютин И.В.
УдГУ
2015 г.
1
Удмуртский государственный университет
Физико-энергетический факультет
Кафедра общей физики
при финансовой поддержке фонда Дмитрия Зимина «Династия» и
фонда «Современное естествознание»
информационной поддержке Министерства образования и науки УР
Школа-турнир по физике для учащихся 9-11
классов
«Вначале было измерение…»
СБОРНИК
отчетов о проведенных участниками исследованиях
Составитель: зав. КОФ УдГУ Милютин И.В.
УдГУ
2015 г.
2
УДК 374.1
ББК 20.74
Составитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Игорь Владимирович Милютин
© Школа-турнир по физике для учащихся 9-11 классов «Вначале было измерение…»
СБОРНИК
отчетов о проведенных участниками исследованиях
Сост. И.В.Милютин; УдГУ. Ижевск, 2015. 63 с.
В сборник вошли отчеты о проделанных учащимися 9-11 классов исследованиях,
представленные к участию в заключительном этапе Школы-турнира «Вначале было
измерение…». Отчеты публикуются с сохранением авторской редакции.
УДК 374.1
ББК 20.74
© Сост. И.В.Милютин, 2015
© Удмуртский госуниверситет, 2015
3
СОДЕРЖАНИЕ:
Сказание о Турнире………………………………………………………………. 7 стр.
1. Криминалистика- наука точная.
10 стр.
Безрученков Георгий Владимирович, Бородин Дмитрий Николаевич, Глухов Артем
Дмитриевич, Москвин Андрей Васильевич
Руководитель: Кочеткова Инга Геннадьевна, учитель физики
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Совхозная средняя
школа»
2. Способы обнаружения отпечатков пальцев
13 стр.
Ельцов Игорь, Шахтарин Максим, Кожевников Савелий (9 класс), Пенкина Алена (10
класс)
Руководитель: Кравченко Л.В., учитель физики
МОУ «Гуманитарно-юридический лицей № 86»
3. Совершенствование школьной демонстрации адиабатического сжатия и
расширения воздуха
20 стр.
Гуляев И.М., Ван Ж Шэн П., Ельцов Г.С.
Руководитель: Гуляев И.М., учитель физики
МБОУ «СШ №15», г. Глазов
4. Использование компьютера для получения и исследования стробоскопических
фотографий
23 стр.
Гуляев И.М., Поздеев И.Д., Тарасов М.А.
Руководитель: Гуляев И.М., учитель физики
МБОУ «СШ №15», г. Глазов
5. Экспериментальное задание по теме: «Криминалистика - наука точная» 26 стр.
Новосельцев Максим, Галанова Анастасия, Иконников Алексей, Кутлукалямова
Анастасия (учащиеся 10 Б класса)
Руководитель: учитель физики Манохина Ирина Алексеевна
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей №1 им.
Н.К.Крупской, г. Камбарка
4
6. Криминалистика - наука точная
31 стр.
Верёвкин Сергей,11 кл.; Самакеева Анастасия, 11 кл.; Каклеев Андрей, 11 кл.
Руководитель: Ломаева Марина Васильевна, учитель физики
БОУ УР УГНГ им.К.Герда
7. Исследование поверхностного натяжения жидкостей
34 стр.
Городилов Виталий Олегович, 10б класс; Касаткин Владислав Андреевич, 10б
класс;.Корепанов Андрей Александрович, 10б класс
Руководитель: Корепанова Ирина Адольфовна, учитель физики
МБОУ
Игринская СОШ №3 п. Игра
8. Исследование вязкости жидкости
37 стр.
Городилов Виталий Олегович, 10б класс; Касаткин Владислав Андреевич, 10б
класс;.Корепанов Андрей Александрович, 10б класс
Руководитель: Корепанова Ирина Адольфовна, учитель физики
МБОУ Игринская СОШ №3 п. Игра
9. Задача Капицы. Почему брызги летят вверх?
39 стр.
Шутова Анастасия, Егоров Филипп, Шамшурина Мария, Вологжанина Ирина,
Мартынова Елизавета (ученики 10 класса).
Руководитель: Соловьёва Марина Константиновна, педагог по физике и
естествознанию
АМОУ «Гуманитарный лицей»
10. Эффект Мпембы
41 стр.
Садыков Марат, Борхович Михаил, Валиуллин Амир, Опарин Роман, Чураков Никита
- ученики 11 класса.
Руководитель: Морарь Людмила Витальевна, учитель физики
Гимназия № 56
11. МГД – генератор
48 стр.
Садыков Марат, Борхович Михаил, Валиуллин Амир, Опарин Роман, Чураков Никита
- ученики 11 класса.
Руководитель: Морарь Людмила Витальевна, учитель физики
Гимназия № 56
5
12. Исследовательская работа: «Концы в воду и не только»
Зыков Иван, 11 класс
Руководитель: Злобин Виталий Викторович, учитель физики
МОУ «Чеканская аграрная средняя общеобразовательная школа»
55 стр.
13. Отчёт об исследовании по теме: «Концы в воду и не только»
58 стр.
Малых Иван Андреевич (10кл), Огородников Павел Юрьевич (10кл), Каретников
Александр Петрович (10кл), .Кузнецов Александр Дмитриевич (10кл)
Руководитель: Вахрушева Людмила Геннадьевна
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Мукшинская
средняя общеобразовательная школа Якшур-Бодьинского района
Первоначально дюйм был определен
как длина 3 зерен пшеницы, взятых
из средней части колоса.
Глядя на картинку, сформулируйте
первое определение метра сами.
.
6
Школа-турнир по физике для учащихся 9-11 классов «Вначале было измерение…»
организована Кафедрой общей физики Физико-энергетического факультета Удмуртского
государственного университета при финансовой поддержке фонда Дмитрия Зимина
«Династия» и фонда «Современное естествознание» и при информационной поддержке
Министерства образования и науки УР и проводилась в 2014-15.
Заявки на участие в турнире прислали 17 команд из Ижевска, Глазова, Камбарки, поселка
Игра, сёл Нылга, Совхозный, Чекан, Чутырь, деревни Мукши.
Проект был разбит на три этапа.
На первом этапе команды-участницы (три-четыре школьника 9-11 классов и учительруководитель), пройдя регистрацию (регистрация заканчивается 14 ноября 2014г.),
реализовывали собственное исследование, или (и) исследование, тема которого предложена
организаторами. Принципиально, что исследование должно быть экспериментальным. Тематика
собственных исследований должна была быть естественнонаучной (не обязательно только
физической).
На первом этапе Проекта организаторы оказывали консультационную помощь участникам, при
необходимости, предоставляли учебные, учебно-научные лаборатории УдГУ, по возможности,
оборудование, необходимое для проведения исследования.
Второй этап (ноябрь-декабрь 2014г.). Отчеты об исследованиях были рассмотрены
организаторами, был проведен отбор участников заключительного этапа Школы-турнира.
Заключительный этап Школы-турнира прошел в 4 корпусе УдГУ 22-23 января 2015
года.
Участники заключительного этапа Школы-турнира «Вначале было измерение…»
(одиннадцатиклассники и десятиклассники) получили дополнительные 10 баллов при
поступлении в УдГУ на обучение по направлениям подготовки «Прикладная математика
и информатика», «Механика и математическое моделирование», «Математика и
компьютерные науки», «Математика», «Педагогическое образование» (профиль
«Математика»), «Физика», «Химия, физика и механика материалов», «Информатика и
вычислительная техника», «Информационные системы и технологии», «Прикладная
информатика», «Фундаментальная информатика и информационные технологии».
В турнирной части Проекта выявлялись победители и призеры в номинациях:
- лучший доклад о результатах проведенного долгосрочного исследования;
- лучшее экспресс-исследование;
- лучший оппонент.
7
Результаты Школы-турнира представлены на официальном сайте УдГУ в разделе
«Абитуриентам» , 2015 год.
Предлагавшаяся организаторами «Школы-турнира по физике (и не только) для учащихся 9-11
классов «Вначале было измерение…»» тематика экспериментальных заданий:
1. А был ли мальчик? Эффект Мпембы – существуют ли условия, при которых горячая вода
замерзнет быстрее холодной?;
2. Игра в классики. Реализация классического физического эксперимента (как вариант – решение
каких проблем помешало реализовать эксперимент в отведенные Проектом сроки, это тоже
может быть интересно);
3. Физика неравновесного. Например, можно исследовать гистерезис вязкости – если налить
воду из крана с холодной водой, то ее вязкость со временем будет меняться…;
4. МГД-генератор обыкновенный. Постройте и исследуйте закономерности работы МГДгенератора с раствором соли в качестве рабочего тела. Попробуйте добиться максимально
эффективных характеристик его работы;
5. Гидродинамическая труба. Исследуйте движение в жидкости, заполняющей высокую
мензурку, тел различного сечения и формы, пузырьков различного размера.
6. Концы в воду и не только. При падении камня в воду может возникнуть капля, летящая вверх.
Исследуйте явление. Добейтесь максимальной высоты подъема такой капли;
7. Криминалистика наука точная. Рассмотрите способы обнаружения и фиксации отпечатков
пальцев. Сопоставьте особенности этих способов;
8. Кап, кап, кап…Исследуйте процесс падения окрашенных капель в жидкость;
9. И Фарадей, и Ленц, и Максвелл. Изучите падение магнита через замкнутые катушки,
намотанные из медного провода. Попробуйте, в частности, оценить заряд, проходящий при таком
падении через катушку, тепло, выделяющееся в катушке;
10. Гальванопластика и гальваностегия. Подберите режимы, позволяющие получать
качественные электролитические покрытия одного металла другим и объемные изображения;
11. Осветите по поводу света. Создайте установку для точного определения показателя
преломления жидкостей, проведите с ее помощью измерения и исследуйте, например,
концентрационные зависимости.
Несколько слов о включенных в данный сборник отчетах о проведенных командами
исследованиях.
Неожиданностью для организаторов Школы-турнира стало значительное число
представленных отчетов об исследованиях под девизом «Криминалистика - наука точная».
Приятно, что примерно треть включенных в сборник отчетов относятся к
исследованиям по выбранной самими командами тематике.
8
Представленные отчеты сильно отличаются по стилю и уровню проработки, это
нормально, и организаторы не старались сильно давить в направлении унификации.
В некоторых случаях организаторы сделали предложения участникам по доработке
присланных материалов – кто-то прислушался, кто-то нет. Так что - не виноватые мы, и
тексты отчетов, в основном, представляем в том виде, в котором их прислали участники.
Минимальная правка была проведена организаторами в небольшом числе «вопиющих»
случаев, в основном тогда, когда это касалось фамилий ученых (они ведь тоже ни в чем
не виноваты).
Мы рады, что Турнир состоялся.
Мы старались, чтобы помимо турнирной составляющей на всех этапах присутствовала
составляющая обучающая.
Мы надеемся, что участникам было интересно и приобретенный опыт им пригодится.
Мы настроены на то, чтобы сделать Турнир регулярным.
Заведующий Кафедрой общей физики УдГУ: Милютин Игорь Владимирович
Контактная информация:
КОФ УдГУ, ул. Университетская 1, корпус 4, каб. 1
(3412) 916-139, milutini@mail.ru, kof@udsu.ru
9
Криминалистика - наука точная
Безрученков Георгий Владимирович, Бородин Дмитрий Николаевич, Глухов Артем
Дмитриевич, Москвин Андрей Васильевич
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Совхозная средняя школа»
Кочеткова Инга Геннадьевна, учитель физики
В данной работе исследуется получение отпечатков пальцев различными методами:
порошковым и с помощью паров йода. Кожа пальцев человека обыкновенно покрыта
выделениями потовых желез; поэтому при прикосновении пальцев к каким- либо
предметам, имеющим гладкую поверхность, на них остаются следы этих выделений,
воспроизводящие узоры папиллярных линий [1]. На первый взгляд такого рода отпечатки
незаметны, и лишь всмотревшись, можно различить их на всякой гладкой поверхности;
лучше всего они запечатлеваются на стекле, полированной поверхности металла или
дерева и вообще на глянцевых предметах, а также на гладкой бумаге.
Лучший
способ
проявления
пальцевых
отпечатков
для
последующего
дактилоскопического исследования их является посыпание окрашивающими порошками.
Бертильон первый предложил употребление порошка графита. При посыпании им бумаги
пальцевые отпечатки папиллярных линий удерживает графит, излишек которого
сдувается с остальной поверхности бумаги. Недостаток графита состоит в том, что он
удерживается также волокнами, выступающими на поверхности бумаги, вследствие чего
последняя пачкается вокруг отпечатка [2].
Из числа прочих рекомендованных и применяемых на практике порошков, каковы мел,
ликоподий (желтый порошок), магнезия, алюминиевый порошок (аргенторат), специально
употребляемый в Австрии, и другие, предпочтения заслуживает жженая магнезия; все же
другие воспроизводят линии слишком густыми, разорванными и неполными.
10
В данном исследовании мы решили использовать в качестве порошка- какао, так как он
имеет очень мелкую структуру, что позволяет хорошо различить рисунок отпечатка. Мы
исследовали три поверхности: бумага, стекло и металл.
а)
б)
в)
В данном опыте мы видим, что преимуществом обладают тетрадная бумага и бумага
«Снегурочка»,
газетная
бумага
обладает
некоторыми
недостатками
волокна,
рис. 1 Отпечатки на поверхности бумаги: а) тетрадь; б) бумага «Снегурочка»; в) газета
выступающие на поверхности бумаги, пачкает поверхность вокруг отпечатка, поэтому
рисунок получается нечетким.
а)
б)
в)
рис. 2 Отпечатки на поверхности: а) стекло; б) металл в) отпечаток на бумаге, полученный
парами йода
Иногда старые следы на стекле не дают ясного отпечатка при посыпании их порошка. В
таком случае следует осторожно нагреть стекло, на котором находятся отпечатки; и тогда
11
они проявятся рельефно. На данном рисунке видно, что отпечаток получается лучше на
стекле, чем на металле.
Пары йода применяются для обнаружения пальцевых отпечатков на бумаге в тех случаях,
когда почему- либо неудобно или нежелательно пачкать графитом,- преимущественно при
проявлении следов пальцев на документах, и притом если эти следы недавнего
происхождения. С этой целью употребляется йод в кристаллах. Пары его окрашивает
пальцевые отпечатки в коричневый цвет на желтоватом фоне, после чего быстро
испаряются. Поэтому для фиксирования проявленных парами йода следов необходимо
немедленно же их сфотографировать. Проявление производится следующим образом:
небольшое количество кристаллов йода кладется в фарфоровую чашечку и нагревается
над лампочкой до тех пор, пока не начнут выделяться пары фиолетового цвета. После
этого на чашечку помещается стеклянная пластинка, чтобы она покрылась парами йода;
затем достаточно привести эту пластинку в соприкосновении с поверхностью
исследуемого документа, чтобы проявились находящиеся на нем следы пальцев. Можно
также держать бумагу непосредственно над парами, но в первом случае фон окрашивается
менее, что, конечно, важно для ясности отпечатка.
Отпечаток, полученный парами йода, получается очень четким и хорошим, в этом методе
обнаружения пальцевых отпечатков есть только один недостаток, окрашенные следы
вследствие испарения йода через 10-15 минут исчезают.
В заключении хочется отметить, что полученные результаты имеют как недостатки, так и
преимущества, но порошковый метод остается более эффективным на данный момент,
хотя напыляя пары йода можно добиться хороших папиллярных линий, но они очень
быстро выветриваются, поэтому их сразу следует зафиксировать.
Список литературы:
[1] Ищенко Е.П. Криминалистика. Курс лекций. Москва, Юридическая фирма
«Контракт», изд. Аст-Москва, 2007, с. 81-88
[2] Трегубов С.Н. Основы уголовной техники. Научно- технические расследования
преступлений. Петроград, изд. юридического книжного склада Право,1915, с. 152-160
12
Способы обнаружения отпечатков пальцев
Авторы: Ельцов Игорь, Шахтарин Максим, Кожевников Савелий (9 класс), Пенкина
Алена (10 класс)
Руководитель: Кравченко Л.В. учитель физики
МОУ «Гуманитарно-юридический лицей № 86»
Введение
В современном мире достаточно высок уровень преступности. Дактилоскопия один из способов опознания человека по отпечаткам пальцев, который основан на
неповторимости рисунка кожи. Способ имеет большое значение для розыска и учета лиц,
совершивших преступление, для раскрытия и надлежащего расследования преступлений.
Преступление может происходить при разных условиях окружающей среды: повышенная
влажность, повышенная температура, а его расследование может начаться через
некоторый промежуток времени от момента совершения преступления. По данным
литературного обзора имеется множество методик определения и фиксации отпечатков
пальцев при нормальных условиях окружающей среды. Сведений по методикам
получения дактилоскопического исследования при меняющихся условиях окружающей
среды не достаточно, поэтому выбранная тема является актуальной.
Цель работы: Изучить способы обнаружения и фиксации отпечатков пальцев
разными методами при различных условиях окружающей среды.
Задачи:
1. Изучить
существующую
практику
обнаружения
отпечатков
пальцев
по
литературным данным.
2. Применить наиболее доступные на практике методы обнаружения и фиксации
отпечатков пальцев в различных условиях окружающей среды.
3. Выявить наиболее оптимальные методики обнаружения и фиксации отпечатков
пальцев при различных условиях окружающей среды.
Объект исследования: дактилоскопический процесс при различных условиях окружающей
среды
13
Предмет исследования: отпечатки пальцев, полученные в разных условиях окружающей
среды (нормальные условия; повышенная влажность; изменение предмета исследования с
течением времени)
Гипотеза: мы предполагаем, что можно обнаружить и зафиксировать любые отпечатки
пальцев на любых поверхностях при разных условиях.
Теоретическая часть
В зависимости от механизма следообразования следы пальцев рук подразделяются на
поверхностные и объемные:
1. Поверхностные следы образуются за счет отслоения постороннего вещества, в
основном
потожирового
папиллярных
2.
Объемные
линий,
следы
следовоспринимающей
или
и
крови,
находящегося
перенося
его
возникают
от
поверхности
на
на
следовоспринимающую
прикосновения
(масло,
поверхности
пластилин,
пальца
гребешков
поверхность.
к
пластичной
полувысохшая
краска,
обледенелые стекла и др.). При этом в следе отображается рельефный узор папиллярных
линий.
Первым трудом, содержащим описание и классификацию узоров кожи на пальцах,
является работа «К вопросу об исследовании физиологии и кожного покрова человека»
(1823 г.) Йогана Пуркинье. Уильям Гершель выдвинул в 1877 году гипотезу о
неизменности
папиллярного
рисунка
ладонных
поверхностей
кожи
человека.
Английский антрополог Френсис Гальтон добился введения дактилоскопии в качестве
метода
регистрации
уголовных
преступников
в
Англии
в
1895
году(1).
Основные методы обнаружения отпечатков пальцев:
1. Физические способы выявления следов рук
а) Окрашивание порошками (возможно за счет прилипания частиц порошка к
потожировому веществу) Это такие порошки, как измельченный мел, сажа, различные
порошки металлов, различные дактилоскопические магнитные и немагнитные порошки.
Для обработки светлых поверхностей применяют темные порошки, для окрашивания
темных поверхностей — светлые.
б) Окрашивание копотью пламени (наиболее эффективно при выявлении пальцевых
отпечатков на гладких поверхностях) Следы окрашивают мелкоструктурной копотью,
образующейся
при
сжигании
пенопласта,
камфары,
нафталина.
в) Окуривание парами йода. Основано на способности йода возгоняться при нагревании
(переходить из твердого состояния в газообразное и обратно, минуя жидкую фазу). При
окуривании парами йода (с помощью специальной йодной трубки) поверхности, на
14
которой имеется след пальца, йод кристаллизуется в первую очередь на участках,
покрытых потожировым веществом, и, таким образом, след визуализируется(3).
2.Химические способы выявления следов рук. Основаны на способности некоторых
химических соединений вступать в реакцию с потожировым веществом(4). В качестве
реактивов используют:
раствор
1)5—10%-й
азотнокислого
серебра
в
пальцев
рук
дистиллированной
воде.
2)1,5—2,0%-е растворы в ацетоне аллоксана.
Фиксация
обнаруженных
следов
производится
путем:
1) фотографирования;
2) Сканирование, предварительно перенеся получившийся след на скотч или специальную
дактилоскипическую пленку (или же можно оставлять на пленке и скотче)(4).
Практическая часть
Приборы и материалы:
Исследуемые поверхности: стекло, дерево, металлы (железная, медная, алюминиевая
пластины), пластик, бумага.
Материалы: мел, магнитный порошок (пылеобразное железо), немагнитный порошок
(алюминиевый и окись цинка), крахмал, клей «Момент».
Приборы: штатив с муфтой и лапкой, лабораторная посуда, спиртовка.
Условия эксперимента:
Опыты были проведены при комнатной температуре (н.у.), при разной относительной
влажности
воздуха.
Исследования
проводились
трижды:
в
день
совершенного
«преступления», через двое суток и через две недели. Для обнаружения отпечатков на
различных поверхностях
использовались различные материалы (мелкодисперсные
порошки). При подборе порошка учитывали контрастность - темная поверхность
обрабатывается светлым порошком, а светлая — темным. Нейтральные порошки имеют
серый цвет и могут использоваться как на темных, так и на светлых поверхностях. Они
хорошо видны на светлой и темной дактилоскопической пленке.
Мы обнаруживали отпечатки пальцев на таких поверхностях, как: стекло (оргстекло),
пластик, бумага, металлы (медь, алюминий, железо), дерево. Для обнаружения отпечатков
мы использовали: мел, магнитный порошок, немагнитный порошок, пары цианоакрилата.
Фиксация:
Полученные отпечатки пальцев мы фиксировали на некоторые поверхности (скотч,
дактилоскопическая
пленка)
или
переносили
фотоаппарата.
15
в
электронный
вид
с
помощью
Описание экспериментальной части:
Эксперимент 1. Условия проведения эксперимента:
Температура: 220
Относительная влажность воздуха: 73%
Давление 750 мм рт. ст.
Таблица 1.
Материал
обработки
Вид
поверхности
ииииииииии
Стекло
ииииииииии
ииииииииии
Дерево
ииииииииии
Пластик
ииииииииии
ииииииииии
Бумага
ииииииииии
Металл
(медь)
иии
Мел
Магнитный порошок
Немагнитный
порошок
Четкий след
Четкий след
Не обнаружен
Нечеткий след
Четкий след
Не обнаружен
Четкий след
Четкий след
Не обнаружен след
Нечеткий след
Нечеткий след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Четкий след
Не обнаружен след
Металл (алюминий)
Не обнаружен след
Четкий след
Не обнаружен след
Металл (железо)
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Четкий след
Эксперимент 2. Условия проведения эксперимента:
Температура: 22,50
Относительная влажность воздуха: 91%
Давление 750 мм рт. ст.
При проведении эксперимента при повышенной влажности мы получили те же
результаты, что и в предыдущем случае с той разницей, что следы на стекле, пластике,
металле и дереве получились еще более качественными.
Эксперимент 3. Через двое суток. Условия проведения эксперимента:
Температура: 220
Относительная влажность воздуха: 70%
Давление 755мм рт. ст.
16
Таблица 2.
Материал
обработки
Мел
Магнитный порошок
Немагнитный
порошок
Вид
поверхности
иии
Стекло
Четкий след
Четкий след
Не обнаружен след
Дерево
Нечеткий след
Четкий след
Не обнаружен след
Пластик
Четкий след
Четкий след
Не обнаружен след
Бумага
Нечеткий след
Нечеткий след
Не обнаружен след
Металл (медь)
Не обнаружен след
Четкий след
Не обнаружен след
Металл (алюминий)
Не обнаружен след
Четкий след
Не обнаружен след
Металл (железо)
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Четкий след
Эксперимент 3. Через две недели, образцы те же.
Условия проведения эксперимента:
Температура: 21 0
Относительная влажность воздуха: 70%
Давление 750 мм рт. ст.
Таблица 3.
Вид
Материал
обработки
Мел
Магнитный порошок
Немагнитный
порошок
Поверхности
Стекло
Четкий след
Четкий след
Не обнаружен след
Дерево
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Пластик
некачественный след
некачественный след
Не обнаружен след
Бумага
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Металл (медь)
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Металл (алюминий)
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Металл (железо)
Не обнаружен след
Не обнаружен след
Не обнаружен след
17
Заключение
Магнитный порошок является почти универсальным средством для обнаружения
отпечатков пальцев, но ввиду своих химических и физических свойств он не дал должного
результата на железе, где мы использовали немагнитный порошок, использование
которого на других поверхностях не принесло результатов. Мел, являясь легко доступным
материалом, проявил себя довольно хорошо на различных поверхностях, однако он все же
уступает магнитному порошку.
Также при работе были задействованы пары цианоакрилата, после обработки которыми,
остался четко видимый след, неизменившийся после механического воздействия и
воздействия влаги. Однако ввиду того, что эти пары ядовиты, опыт был проведен только
на оргстекле.
Также мы заметили, что на гладких поверхностях (стекло, пластик, металл) были
получены более качественные отпечатки пальцев, чем на неровных поверхностях (дерево,
бумага).
Последний эксперимент был проведен при повышенной влажности. Все отпечатки,
обнаруженные в результате этого эксперимента, были гораздо четче, чем при более
низкой влажности.
По итогам исследования можно составить таблицу выявление невидимых отпечатков
пальцев рук с помощью дактилопорошков
Таблица 4.
Материал следообразующейповерхности Рекомендуемый порошок-проявитель
Стекло
Мел, магнитный порошок
Дерево
Магнитный порошок
Пластик
Мел, магнитный порошок
Бумага
Мел, магнитный порошок
Металл (железо)
Немагнитный порошок
Металл (алюминий, медь)
Мел, магнитный порошок
Конечно, наше исследование ни в коей мере не претендует на исчерпывающее. Оно
является лишь началом большой работы. Конечно, гипотеза о том, что можно обнаружить
и зафиксировать любые отпечатки пальцев на любых поверхностях при разных условиях
не подтвердилась и для успешного обнаружения отпечатков пальцев на различных
поверхностях, стоит воспользоваться таблицей 4.
18
Литература
1. Иван Канаев. Фрэнсис Гальтон. - Ленинград, Издательство "Наука", Ленинградское
отделение, 1972. - 136 с.
2. Обнаружение, фиксация и изъятие следов пальцев рук. [Электронный ресурс]. –
URL: http://www.pravo.vuzlib.su/book_z1665_page_12.html
3. Россинская Е.Р. Криминалистика: вопросы и ответы. М.: Закон и право, 1999.
[Электронный ресурс]. – URL: http://www.bibliotekar.ru/criminalistika-2/59.htm
4. Обнаружение, изъятие, фиксация и упаковка следов
[Электронный ресурс]. – URL: http://criminallaw.uf.nstu.ru/?p=10315
19
Совершенствование школьной демонстрации адиабатического
сжатия и расширения воздуха
Гуляев И.М., Ван Ж Шэн П., Ельцов Г.С.
МБОУ «СШ №15», г. Глазов
Руководитель: Гуляев И.М., учитель физики
В настоящее время непрерывно развивается компьютерная техника, обновляется
элементная база электроники. В связи с этим актуальным является совершенствование
или создание современных вариантов устаревших физических приборов и опытов,
предназначенных для учебного исследования физических явлений.
Объектом
нашего
исследования
является
демонстрационный
опыт
по
адиабатическому сжатию и расширению воздуха. Как известно, адиабатическим
называется процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплотой с
окружающими телами [1]. Для наглядной демонстрации изменения температуры в таких
процессах необходим простой и надежный измеритель температуры. Такой прибор может
быть изготовлен на основе термоэлектрического датчика температуры и электронного
усилителя.
Для изготовления термопары использовались медный и константановый провода
(от старого реостата). Усилитель для термопары собран на основе операционного
усилителя – микросхемы OP07 [2]. Прибор изготовлен на плате из фольгированного
стеклотекстолита методом травления.
Экспериментальная установка включает стеклянный сосуд с пробкой, которая
через резиновую трубку соединяется с ручным микронасосом (от медицинского
тонометра). На внутренней стенке сосуда закреплена термопара, соединенная через
усилитель
с
компьютерным
осциллографом
[2],
который
включает
устройство
сопряжения, программу «Осциллограф», установленную на компьютер, и собственно сам
20
компьютер. Устройство сопряжения преобразует сигнал с термопары в понятный
компьютеру цифровой код. На экран монитора выводится осциллограмма – график
зависимости физической величины от времени.
В сосуд вводят немного воды и пьезоэлектрической зажигалкой ионизируют
воздух. Сосуд плотно закрывают резиновой пробкой и ручным микронасосом накачивают
в него воздух. При определенном давлении пробка с шумом вылетает, и воздух в
результате расширения охлаждается. Это приводит к образованию в сосуде тумана. На
экран монитора выводится график изменения температуры [3], подобный изображенному
на рис. 1. На полученном графике можно выделить участки, соответствующие
увеличению давления и нагреванию воздуха при адиабатическом сжатии (АС),
пропусканию
воздуха
неплотно закрытой
пробкой
(ВС),
резкому охлаждению,
вызванному адиабатическим расширением (СD), и установлению первоначального
значения температуры (DE).
Рис. 1
Таким образом, достигнуто совершенствование учебного эксперимента для
исследования явления изменения температуры воздуха в адиабатическом процессе.
Собранная экспериментальная установка может быть использована учителем физики на
школьном уроке при изучении соответствующей темы, что обосновывает практическую
значимость выполненного исследования.
21
Литература
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.
Физика: Учеб. для 10 кл.
общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2006. – 366 с.
2. Вараксина Е.И., Майер В.В. Натурный компьютерный эксперимент: учебноисследовательские проекты: учебное пособие. – Глазов: ГГПИ, 2013. – 76 с.
3. Гуляев И.М. Учебное исследование адиабатического процесса в проектной
деятельности
школьников
//
Сборник
тезисов,
материалы
Двадцатой
Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых
(ВНКСФ-20, Ижевск): материалы конференции, тезисы докладов. – ЕкатеринбургИжевск: издательство АСФ России, 2014. – С. 618-619.
22
Использование компьютера для получения и исследования
стробоскопических фотографий
Гуляев И.М., Поздеев И.Д., Тарасов М.А.
МБОУ «СШ №15», г. Глазов
Руководитель: Гуляев И.М., учитель физики
В механике одним из методов, позволяющих фиксировать положения движущегося
тела через одинаковые промежутки времени, является стробоскопический метод [1]. В
современной литературе можно найти доступные конструкции электронных стробоскопов
на транзисторах или микросхемах [2], обеспечивающих создание фотографий траекторий
с временными метками движущегося тела. Для количественных расчетов скоростей и
ускорений необходимо знать время между соседними метками на фотографии, которое
однозначно определяется частотой вспышек электронного стробоскопа.
Экспериментальная установка
В настоящее время задачу точного задания частоты вспышек электронного
стробоскопа оптимальным образом решает компьютер или ноутбук, оснащенный
звуковой картой и программой генератора звуковой частоты, позволяющей генерировать
на аудио-выходе (стандартный разъем для подключения звуковых колонок) переменное
напряжение требуемой формы и частоты. В этом случае экспериментальная установка
включает ноутбук с установленной программой «Генератор», транзисторный усилитель
переменного напряжения [3, 4], к выходу которого подключен сверхъяркий красный
светодиод.
Усилитель изготовлен на пластине из фольгированного стеклотекстолита методом
травления печатных плат. Вход усилителя снабжен проводами со штекером, который
обеспечивает подключение к компьютеру. Светодиод соединен с прибором гибкими
проводами длиной 2 метра и помещен в прозрачный силиконовый шарик. В качестве
программы генератора используется звуковой редактор Audacity.
23
Свободное падение тела
Падение тел в поле тяжести является одним из движений, встречающихся
буквально на каждом шагу. Для фотографирования траектории движущегося шарика в
помещении создают полумрак и в фотографируемом поле располагают линейку.
Подключают собранное устройство к компьютеру и программой создают сигнал частотой
ν = 30 Гц. При этом шарик начинает ярко светиться пульсирующим светом. Отпускают
шарик с некоторой высоты и одновременно фиксируют траекторию движения на
цифровой фотоаппарат.
На рис. 1 приведена фотография траектории свободно падающего шарика. Такая
траектория называется траекторией с временными метками [5]. Она позволяет определять
скорость и ускорение движения тела.
Измерение ускорения свободного падения
Полученную с помощью цифрового фотоаппарата
стробоскопическую фотографию переносят на компьютер и,
осуществив требуемую обработку в графическом редакторе,
распечатывают на принтере (рис. 1). На фотографии выбирают
две временные метки и по линейке определяют их координаты
y1
и y2. Ускорение свободного падения рассчитывают по
формуле:
2
2(√𝑦2 − √𝑦1 )
𝑔=
,
𝑡02 (𝑚 − 𝑘)2
где
m и k – номера временных меток, t0 – время между
соседними метками, которое вычисляют по заданной частоте
вспышек светодиода: t0 = 1/ν.
В одном из проведенных опытов получено следующее
значение ускорения свободного падения (частота вспышек
составляла 30 Гц): g = (10,1 ± 0,5) м/с . Так как время между
Рис. 2
2
метками задается компьютером достаточно точно, то погрешность измерения ускорения
определяется ошибкой определения координат y1 и y2 (ценой деления линейки).
Графическое представление движения
Фотографии, на которых изображены траектории с временными метками, могут
быть использованы для построения зависимостей кинематических параметров от времени.
Для этого на стробоскопической фотографии рядом с изображением линейки обозначают
координатную ось и определяют координаты, в которых побывало тело через одинаковые
промежутки времени. По полученным точкам строят график зависимости y = y(t) (рис. 2).
24
Координата, м
Все
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0 0.03 0.07 0.10 0.13 0.17 0.20 0.23 0.27 0.30
Время, с
Рис. 2
экспериментальные точки прекрасно ложатся на параболу. Следовательно, при
равноускоренном движении зависимость координаты от времени квадратичная.
Рассмотренный в работе электронный стробоскоп с компьютерным управлением
вспышками обеспечивает создание фотографий других движений, например, движения
тела по параболе, движения тела при колебаниях на нити, движения тела по окружности и
т.д.
По этим фотографиям также могут быть выполнены количественные оценки,
например, исследована зависимость скорости тела от времени, подтвержден закон
сохранения энергии, установлена связь между линейной и угловой скоростью.
Таким образом, на базе современной электроники и компьютерной техники может
быть создан доступный вариант электронного стробоскопа, который обеспечивает
качественное и количественное исследование механического движения.
Литература
1. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений.
– М.: Дрофа, 2003. – 256 с.
2. Майер В.В., Вараксина Е.И. Электронные стробоскопы для учебных опытов //
Потенциал. – 2010. – № 11. – С. 68-76.
3. Вараксина Е.И., Гуляев И.М. Базовые умения натурного компьютерного
эксперимента // Физика в школе и вузе: Международный сборник научных статей.
Вып. 14. – СПб.: РГПУ им. А.И.Герцена, 2012. – С. 20-23.
4. Вараксина Е.И., Гуляев И.М. Оценка готовности выпускников педагогического
вуза к организации проектной деятельности по физике в массовой школе //
Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8 (Часть 2). – С. 444-448.
5. Майер В.В., Мамаева Е.С., Колупаев В.Ф. Учебные исследования по кинематике //
Учебная физика. – 2010. – № 2. – С. 8-28.
25
Экспериментальное задание по теме:
«Криминалистика - наука точная»
Выполнили: Новосельцев Максим, Галанова Анастасия, Иконников Алексей,
Кутлукалямова Анастасия - учащиеся 10 Б класса Муниципального Бюджетного
Общеобразовательного учреждения лицей №1 им. Н.К.Крупской г. Камбарки
Руководитель: учитель физики
Манохина Ирина Алексеевна
Во Франции говорят, что преступление только начинается в перчатках, а заканчивается в
рукавицах (имеются в виду рукавицы каторжника). А действительно, почему преступники
одевают перчатки? Какой след оставляет рука человека в перчатках и без перчаток? Как
криминалистам удается с большой точностью определить отпечатки пальцев рук,
которые оставляют преступники в различных местах. Чтобы ответить на эти вопросы
мы решили провести свои собственные исследования и попробовать себя в роли
криминалиста.
Когда мы приступили к работе над экспериментальным заданием, перед нами стояли
следующие задачи:
1) Исследовать возможность снятия отпечатков пальцев с шероховатых и гладких
поверхностей, используя различные способы, используемые в дактилоскопии.
2) Убедиться в том, что отпечатки пальцев у всех разные.
3) Научиться, по отпечаткам пальцев, определять возраст человека.
26
Современная дактилоскопия основывается на трех важных особенностях кожных узоров
— их индивидуальности, неизменности и возможности сопоставления.
Для того чтобы распознать отпечатки пальцев, оставленные преступниками на различных
поверхностях, в криминалистике используются различные методы. Приступив к
выполнению эксперимента, мы оставили отпечатки пальцев на различных поверхностях, а
затем стали их исследовать.
Визуальное наблюдение — это
осмотр объекта (невооруженным
глазом или через лупу) в косо
падающем
свете,
т.
е.
под
различными углами падения света.
Прием
направлен
светового
на
создание
контраста
между
потожировыми
следом
предметом,
как
так
и
гладкая
поверхность отражает свет зеркально (направленно), а потожировое вещество его
рассеивает. При этом след приобретает матовый оттенок и становится видимым.
Предметы со следами рук, или объекты, на которых могут находиться такого рода следы,
изымаются для последующего изучения по возможности вместе с предметом или
соответствующей его частью, т. е. в натуре.
Используя данный метод, мы рассматривали отпечатки пальцев, оставленные на
запыленном стекле. В результате мы выяснили, что данный метод, действительно,
работает лишь на запыленных поверхностях в отраженном свете. Следы, оставленные на
стекле, были видны очень плохо, даже через лупу.
Физические способы выявления следов рук — приемы обработки различными
порошками, окрашивание копотью
пламени, окуривание парами йода.
•
Окрашивание
возможно
за
(адгезии)
частиц
Порошками
счет
прилипания
порошка
к
потожировому веществу. Порошки
должны быть сухими, состоять из
достаточно
мелких
надежно
прилипать
частиц,
к
потожировому веществу, хорошо отделяться от остальной поверхности предмета и быть
27
безвредными. Для обработки светлых поверхностей применяют темные порошки (железо,
графит, оксид меди, сажу и др.), для окрашивания темных поверхностей — светлые
(алюминий, бронзу, оксид цинка и др.). Следы, оставленные недавно (в пределах суток),
можно выявить любым мелким и сухим порошком.
Для обработки следов порошками существуют различные приемы:
• окрашивание при помощи дактилоскопической кисти;
• окрашивание путем перекатывания порошка;
• выявление следов с помощью магнитной кисти;
• окрашивание при помощи воздушного распылителя.
Используя, данный метод, мы исследовали отпечатки пальцев, оставленные на ноутбуке,
столе, стекле, кружке, на стойке для проектора.
Дактилоскопический порошок
лучше всего проявляет
следы на гладкой поверхности, чем на шероховатой.
В результате нашего исследования мы убедились в том,
данный способ выявления отпечатков наиболее точен. Так
как
структура
индивидуальная.
узоров
Это
кожи
у
свойство,
каждого
было
человека
исследовано
профессором антропологии Университета в
Галле Г. Велькером. Он сделал отпечатки своих пальцев в 1856 году. Через 41 год он снова
повторил эксперимент, и в результате отпечатки оказались неотличимы.
Химические способы выявления следов рук основаны на способности некоторых
химических соединений вступать в реакцию
с потожировым Веществом. Эти способы
чаще всего применяют в Лабораторных
условиях для выявления следов на бумаге,
картоне, неокрашенном дереве и, в основном
тогда, когда описанные выше приемы не дали
положительных результатов.
В качестве реактивов используют:
• 5—10%-й раствор азотнокислого серебра в
дистиллированной воде. Обработанный предмет просушивают в темноте и выставляют на
яркий свет, под действием которого следы через несколько часов приобретают коричневую
окраску;
• Окуривание парами йода основано на способности йода возгоняться при нагревании
(переходить из твердого состояния в газообразное и обратно, минуя жидкую фазу). При
28
окуривании парами йода (с помощью специальной йодной
трубки) поверхности, на которой имеется след пальца, йод
кристаллизуется в первую очередь на участках, покрытых
потожировым
веществом,
и,
таким
образом,
след
визуализируется.
Выявленные следы безотлагательно фотографируют, так как по
мере
испарения
йода
они
становятся
невидимыми.
Преимущество этого приема состоит в возможности его
неоднократного применения. Проявленные следы закрепляют путем обработки порошком
карбонильного железа. Этим способом мы исследовали отпечатки пальцев, оставленных
на конверте, на бумаге.
Способ
выпаривания
йода
для
нас
стал,
наиболее
трудоемким,
т.к.
вместо
кристаллического йода нам пришлось взять обычный йод и выпаривать его над пламенем
спиртовки. Эксперимент пришлось провести несколько раз, но все-таки результат был
достигнут.
При обработке отпечатков пальцев, оставленных на листе бумаги,
азотнокислым серебром отпечатки проявились, но не совсем четко.
Свойства узора
Существуют
методики
приблизительного
определения пола и возраста по отпечаткам
пальцев. Возраст устанавливают по количеству
папиллярных линий на единицу измерения (5
миллиметров). Так, у малолетних детей на эту
единицу
приходится
15-18
линий,
а
у
двадцатилетних — 10 линий. Отмечается также
сплющенность линий, морщины и складки кожи
у стариков.
Сосчитав папиллярные линии на 5 мм отпечатка
пальца, мы сопоставили результат с таблицей.
Как и показала таблица, отпечаток мы снимали у подростка 16 лет.
29
Средние показатели соотношения
плотности папиллярных узоров и возраста человека
Количество папиллярных линий на отрезке в 5 мм
Возрастные группы
12-13
Дети 8- 12 лет
10-12
Подростки 13-17 лет
9-10
Взрослые - от 18 лет и старше
Заключение
В ходе выполнения экспериментального задания мы убедились в том, что дактилоскопия способ опознания человека по отпечаткам пальцев (в том числе по следам пальцев и
ладоней рук), основанный на неповторимости рисунка кожи. Эта наука не имеет границ и
постоянно совершенствуется. Мы рассмотрели лишь её небольшую часть. И если и Вас,
заинтересовала, наша работа и появилось желание узнать больше о методах
дактилоскопии, тогда предлагаем Вам проводить собственные эксперименты, изучать
необходимую литературу и быть в курсе последних открытий.
В заключение нам хочется остановиться на следующих моментах:
-Работа криминалиста интересная, но в то же время, требует особых знаний и навыков в
области физики, химии, математики, биологии, психологии;
-Криминалист должен обладать таким качествами, как логическое мышление, точность,
наблюдательность и аккуратность.
30
Криминалистика наука точная
БОУ УР УГНГ им.К.Герда
Верёвкин Сергей, Самакеева Анастасия, Каклеев Андрей.
Ломаева Марина Васильевна, учитель физики
Способы обнаружения и фиксации отпечатков пальцев
Качество расследования и раскрытия преступлений на данный момент во многом
зависит от использования технических, физических и химических специальных знаний.
Одной из форм использования этих знаний является участие специалиста в осмотре места
происшествия, на котором изымается значительная часть вещественных доказательств. К
их числу относят различные следы, оставленные в результате преступлений, например:
следы пальцев, лба, подбородка, носа, щек, губ.
Наибольшее значение для раскрытия преступлений имеют следы пальцев рук, на
которых есть мельчайшие кожные валики - папиллярные линии. Наука, устанавливающая
личность по отпечаткам пальцев – дактилоскопия. Образованию следов пальцев рук
способствует то, что руки человека всегда покрыты большим или меньшим количеством
пота, жировых выделений кожи и поэтому даже при легком прикосновении к гладкой
поверхности оставляют следы. Основная работа следователя со следами рук складывается
из трех этапов:
1. Обнаружение
2. Фиксация
3. Изъятие
Производить осмотр следует в резиновых перчатках, мелкие предметы нужно брать
за края, ребристые части, чтобы не повредить следов и не оставить своих следов.
Поэтому общим правилом, предъявляемым к фиксации следов пальцев рук,
является их изъятие вместе с предметом, на котором они обнаружены. Если это не
представляется возможным, то наиболее оптимальным способом фиксации является
фотосъемка.
Одним из самых распространенных способов как обнаружения, так и фиксации
маловидимых и невидимых следов рук является использование порошков.
Порошки должны обладать следующими свойствами: быть мелкими, сухими и
контрастными по цвету с опыляемыми объектами. К числу таких порошков относятся
31
окиси меди, окиси свинца, железо, восстановленное водородом, графит, сажа, а также
окиси цинка, алюминиевая пудра и порошки, представляющие собой восстановленное
железо.
На основе всего этого, мы провели ряд экспериментов по обнаружению и фиксации
отпечатков пальцев.
Эксперимент №1.
Оборудование, которое нам понадобилось: кисточка, сажа, скотч, стеклянная
поверхность.
Ход работы: мы нанесли след руки на стекло, затем при помощи кисточки нанесли
сажу на предполагаемый отпечаток пальца, излишки сажи стряхнули. Далее перенесли
этот отпечаток на бумагу с помощью скотча. Перед нами предстала картина в виде узора
из папиллярных линий.
Вывод: на стеклянных поверхностях качественно извлекаются отпечатки пальцев, причем
надо помнить правило контраста цвета: на светлой поверхности следует использовать
темный порошок (сажа)
Эксперимент №2.
Оборудование: кисточка, окись цинка, сажа, скотч, задняя панель телефона.
Ход работы: подобно первому эксперименту, мы оставили отпечаток пальца на
пластмассе черного цвета. Для этого мы использовали заднюю панель телефона. После с
помощью кисточки был нанесен порошок – окись цинка. Когда мы избавились от лишнего
порошка, то получили четко оформленный и видимый невооруженным взглядом
отпечаток пальца.
Вывод: так как пластмасса – гладкий материал и не впитывает влагу, то следы рук с
него снимаются довольно просто, и они получаются четко видимыми, что тоже
32
немаловажно. На темной поверхности пришлось использовать светлый порошок, согласно
выводу из первого эксперимента, гласящем о контрасте цветов.
Эксперимент №3.
Оборудование: лист бумаги, нитрат серебра (AgNO3), ватный диск, фонарик.
Ход работы: на белый лист бумаги нанесли отпечаток пальца. Для его обнаружения
мы нанесли раствор нитрата серебра с помощью ватного диска. Под действием облучения
интенсивным светом выделились мельчайшие частички, образующиеся в папиллярные
линии. В ходе эксперимента у нас получился следующий рисунок:
Вывод: проявление отпечатка пришлось ждать продолжительное время, пока
высыхает раствор, но отпечаток получился довольно отчетливым. Четко видна каждая
папиллярная линия.
Общий вывод: исходя из этого, мы можем с уверенностью сказать, что снятие
отпечатков пальцев с применением химических веществ значительно превосходит
методы, при которых использовались порошки (сажа, пудра, окись цинка и др.). И тот, и
другой методы популярны и по сей день, так как они не трудоемки и просты в своем
использовании.
33
Исследование поверхностного натяжения жидкостей
Городилов Виталий Олегович, 10б класс; Касаткин Владислав Андреевич, 10б
класс; Корепанов Андрей Александрович, 10б класс
Руководитель: Корепанова Ирина Адольфовна, учитель физики
МБОУ Игринская СОШ №3 п. Игра
Краткая теория
Поверхностное натяжение – явление молекулярного давления на жидкость,
вызванное притяжением молекул поверхностного слоя к молекулам внутри жидкости.
Молекулы поверхностного слоя жидкости притягиваются только молекулами внутренних
слоев. Молекулы, находящиеся на поверхности, под действием результирующей силы
притяжения втягиваются внутрь жидкости. Оказывается, вода также обладает различным
поверхностным натяжением. Степень поверхностного натяжения определяет "жидкость"
воды. Образно говоря, вода бывает более "густая" и более "жидкая". Желательно, чтобы в
организм поступала более "жидкая" вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на
преодоление поверхностного натяжения. Вода с низким поверхностным натяжением
биологически более доступна. Она легче вступает в межмолекулярные взаимодействия.
Существует достаточно много различных методов определения поверхностного
натяжения: метод капель, метод проволочной рамки, метод кольца, метод капилляров,
метод капли и пузырька и др.
Определение поверхностного натяжения
жидкости методом капель
Экспериментальная установка
Оборудование: лоток, флакон с жидкостью,
закрытый крышкой-капельницей, стакан, весы.
34
В работе используют флакон с пробкой-капельницей, диаметр отверстия которой
составляет 1,2 мм.
Проведение эксперимента
1. Подготовить исследуемую жидкость.
2. Определить массу одной капли. Для этого с помощью весов определить массу
стакана. Затем из капельницы в стакан закапать 60-70 капель. Определить массу
стакана с водой. По разнице масс найти массу воды в стакане. Разделив ее на
число капель, найти массу одной капли.
3. Вычислить коэффициент поверхностного натяжения по формуле:
α=
mg
. Оценить абсолютную погрешность методом среднего.
d
4. Занести данные в таблицу 1.
5. Провести эксперимент с водой различной температуры. Занести данные в
таблицу 2.
Таблица 1.
№ опыта
М, кг
1
1,360
2
1,361
3
1,365
4
1,370
5
1,375
6
1,355
7
1,350
8
1,350
9
1,375
10
1,365
Среднее значение
m, кг
0,0272
0,0272
0,0273
0,0274
0,0275
0,0271
0,0270
0,0270
0,0275
0,0273
N
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
α, Н/м
0,0722
0,0722
0,0726
0,0726
0,0729
0,0720
0,0719
0,0719
0,0729
0,0726
0,0725
Δα, Н/м
0,0003
0,0003
0,0001
0,0001
0,0004
0,0005
0,0006
0,0006
0,0004
0,0001
0,0003
Таблица 2.
Температура, оС
Поверхностное натяжение, Н/м
20
0,0725
40
0,0702
50
0,0679
80
0,0594
Кипяченая вода при 20 оС
0,0698
35
Выводы:
1) Поверхностное натяжение воды при температуре 20 оС у нас получилось
α =( 0,0725 + 0,0003) Н/м;
2) С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается;
3) Поверхностное натяжение кипяченой воды меньше, чем некипяченой. Поэтому
более приемлемой для питья является именно кипяченая вода.
36
Исследование вязкости жидкости
Городилов Виталий Олегович, 10б класс; Касаткин Владислав Андреевич, 10б
класс; Корепанов Андрей Александрович, 10б класс
Руководитель: Корепанова Ирина Адольфовна, учитель физики
МБОУ Игринская СОШ №3 п. Игра
Краткая теория
В реальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения
молекул имеет место внутреннее трение, или вязкость. Вязкость — свойство жидкостей
противостоять силе, которая вызывает их текучесть. Когда говорят о вязкости вещества,
то обязательно указывают температуру, при которой тело имеет эту вязкость, так как это
свойство изменяется в зависимости от температуры.
Оборудование: высокий стеклянный сосуд с жидкостью, секундомер, линейка, весы,
ареометр.
Установка для определения вязкости жидкости состоит из наполненной жидкостью
мензурки. В сосуд по очереди опускают тела и с помощью секундомера измеряют время
прохождения ими известного расстояния. Для определения массы тел используются
электронные весы. Плотность жидкости определяется с помощью ареометра.
Проведение эксперимента.
1. Выбрать шарик возможно больших размеров и измерить его массу m и диаметр d в
нескольких местах.
2. Вычислить плотность
шарика. Определить с помощью ареометра плотность
жидкости.
3. Опустить шарик в сосуд с жидкостью и измерить время t прохождения им
известного расстояния h. Результаты записать в таблицу 1.
4. Пользуясь формулой : η = (ρ – ρо)gd2t /18h, где ρ и ρо – плотности тела и жидкости,
d – диаметр шарика, t – время падения шарика, h – высота мензурки, определить
вязкость жидкости . Методом среднего оценить абсолютную погрешность.
37
Определить вязкость воды при различных температурах. Занести результаты в
5
таблицу 2.
Таблица 1.
Опыт
Результаты измерений
ρ, кг/м3
η , (Н . c / м2)
Δ η,(Н . c /
x 10-3
м2) x 10-3
0,10
1,8
0,2
2
0,11
2,0
0
3
0,12
2,2
0,2
4
0,12
2,2
0,2
5
0,10
1,8
0,2
6
0,13
2,4
0,4
7
0,10
1,8
0,2
8
0,11
2,0
0
9
0,10
1,8
0,2
10
0,11
2,2
0,2
2,0
0,2
1
2100
ρ o, кг/м3
1000
h, м
1,2
d, м
Результаты вычислений
0,006
t ,с
Средние значения
Таблица 2.
Температура, оС
Вязкость воды, (Н . c / м2) x 10-3
20
2,0
30
1,6
40
1,3
50
0,8
60
0,7
80
0,5
Выводы:
1. Определили вязкость воды при комнатной температуре.
η = (2,0 + 0,2) x 10-3 Н . c / м2
2. Убедились в том, что вязкость жидкости зависит от температуры (с ростом
температуры вязкость существенно падает).
38
Задача Капицы. Почему брызги летят вверх?
Авторы решения задачи: Соловьёва Марина Константиновна (научный руководитель,
педагог по физике и естествознанию)
Ученики 10 класса: Шутова Анастасия, Егоров Филипп, Шамшурина Мария,
Вологжанина Ирина, Мартынова Елизавета.
АМОУ «Гуманитарный лицей»
Аннотация: В данном исследовании разбирается вопрос «Почему при столкновении
камня (материальной точки) и воды брызги летят вверх, описаны физические законы,
влияющие на материальную точку, и историческое начало. Так же информация может
быть интересна для учеников и студентов, занимающихся физикой, и просто
любознательным людям. Разбор таких задач может длиться до бесконечности (можно
разобрать поверхностно, а можно углубиться) всё зависит от заинтересованности
человека.
Ключевые слова: задача Капица П.Л., закон сохранения импульса, упругая среда
Исследование.
Изначально задачи Капицы П.Л. были созданы для студентов. «Эти явления природы
выбраны так, чтобы они имели либо научный, либо практический интерес, и при этом
нами учитывалось, что уровень знаний студентов должен быть достаточным, чтобы
выполнить задание … Кроме проблемного характера этих задач, в большинстве из них
есть еще одна особенность: в них не заданы численные величины физических констант и
параметров и их представляется выбрать самим решающим.», из книги «Наиболее полное
собрание задач П.Л. Капицы».
Исходя из данного текста, мы можем увидеть, что эти задачи имеют множество решений,
поскольку нет параметров, их можно разобрать поверхностно, а можно тщательно
практически до бесконечности.
Задача: «Объясните, почему, когда камень или капля дождя падают в воду, брызги летят
вверх? От чего больше зависит высота полета брызг: от размеров камня или от скорости
его падения? Какова максимальная высота полета капель?»
В своей работе мы решили задачу сначала теоретически, а затем проверили
экспериментально.
39
Почему брызги от воды при столкновении с ней камня летят вверх?
Рассмотрим это явление: При столкновении камня и воды, учитывая то, что в данной
задаче вода рассматривается не как жидкость, а как упругая среда*, воде передаётся
импульс, образуются брызги. При этом часть энергии идёт на испарение, на нагрев воды,
на излучение, но большая часть превращается в энергию волны в упругой среде. Этот
момент является наиболее важным, возникает концентрическая волна, амплитуда которой
определяется расстоянием от места соприкосновения камня и воды. Чем ближе к месту
падения камня, тем выше амплитуда, и первые несколько пиков волны преодолевают
поверхностное натяжение воды, разрывая ее структуру. Волна как бы продолжается в
воздухе. В этот момент упругая среда теряет непрерывность. Далее капли движутся
вверх согласно вектору своей скорости в волне.
Какова максимальная высота полёта капель?
*Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы
взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Когда какое-либо
тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды,
прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи
колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают упругие силы. Эти силы
воздействуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения
равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебание.
Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения,
порождающего вторичные сферические волны
Описание эксперимента:
Цель: доказать решение задачи Капицы экспериментальным путём.
1. Оборудование: пластиковый стакан, глубокая тарелка, вода, марганец, камни
различных размеров и массы, чайная ложка, скотч, 2 ватмана А2 размера,
видеоаппаратура, компьютер.
2. Измерительные инструменты: весы электронные, линейка
3. Ход эксперимента:
 На ватмане расположили глубокую тарелку
 Развели раствор марганцовки
 Установили видеоаппаратуру, для фиксирования результатов
 По очереди с высоты 30 см. начали кидать камни различного веса и размера
в воду.
 Просмотрели получившееся видео и зафиксировали результаты работы.
Результаты (высота, с которой кидали 30 см):
Видео эксперимента: http://youtu.be/tK1DKoYo_M8
Вывод:
Таким образом мы решили задачу Капица теоретически и доказали экспериментальным
путём.
40
Эффект Мпембы
Садыков Марат, Борхович Михаил, Валиуллин Амир, Опарин Роман, Чураков Никита ученики 11 класса.
Руководитель: Морарь Людмила Витальевна, учитель физики
Гимназия № 56
Цель работы: экспериментально доказать существование эффекта Мпемба и найти
условия при которых эффект будет максимально выражен.
Оборудование: стеклянные стаканы, градусник, мерный стаканчик.
Теория и история эффекта:
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода
при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна
пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является
экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно
которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой
температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той
же температуры. Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене
Декарт, однако лишь в1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что
горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Будучи учеником
Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по
поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить
молоко, растворить в нём сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем
поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным
учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к
концу урока, он поставил в холодильник ещё горячее молоко. К его удивлению, оно
замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной
41
технологии. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся
над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После
этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком
случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору
Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному
директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если
взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода
имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором
вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в
1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в
журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом
Мпембы.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных
нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и
холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае:
разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии
разжиженных газов на воду при разных температурах. Парадоксальность эффекта
Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей
среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей
среды. Этот закон был установлен ещё Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на
практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С
быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Опыт:
№1)По теории испарения, нагревая воду до 100°С она теряет 16% своей массы [1] и
тем самым уменьшает объем воды, который необходимо заморозить. Доказывать мы это
будем путем замораживания кипяченной воды объемом V1 и массой M1 и холодной воды
объемом V2 и массой M2 (их массы должны быть одинаковыми), массы мы будем
измерять после кипячения воды. Затем мы возьмем сосуды с холодной водой с
температурой T3 (T2=T3), объемы которых, а следовательно и массы, равны, и вскипятим
ее тоже.
№2)Есть теория о переохлаждении воды вследствие отсутствия центров
кристализации, которыми являются примеси и газы в кипяченой воде. Из которой следует,
42
что горячая вода, в которой отсутствуют примеси и газы, а следовательно и центры
кристализации, проходит процесс переохлаждения, в результате достигая настолько
низкой температуры, при которой лед начинает образовываться в случайном порядке и с
высокой скоростью. В то время, как понижая температуру холодной воды на ее
поверхности образовывается слой льда, который служит изолятором при теплообмене
воды с более холодной средой. Поэтому мы заранее вскипятим некий объем воды V1,
поместим в закрытый сосуд и охладим до температуры проточной (холодной) воды, затем
мы наберем в еще два сосуда одинаковый объем воды V2 и V3 и вскипятим воду из
одного из сосудов, после этого убедимся, что объем воды во всех трех сосудах
одинаковый и приступим к эксперименту.
№3) Еще есть гипотеза, что при наличии снежной подушки под сосудами с горячей
и холодной водой, снег под сосудом с горячей водой объемом V1 протаивает и тем самым
увеличивает площадь соприкосновения сосуда с горячей водой с холодной средой, тем
самым увеличивая теплообмен воды со средой, со снегом под сосудом с холодной водой
объемом V2 ничего не происходит. В результате горячая вода замерзает быстрее. Для
этого нам потребуется два сосуда, с водой одинакового объема, в одном из которых будет
кипяченая вода с температурой T1, а в другом проточная(холодная) с температурой T2.
Запись результатов проводится каждые 20 минут.
Таблица данных
№
Темпе
Опыт
ратура
а
среды
Температура воды (°C)
Масса/Объем (Грамм/Миллилитров)
Сосуд 1
Сосуд 2
Сосуд 3
Сосуд 1
Сосуд 2
Сосуд 3
(°C)
№1
-17
100
15
15
42
42
50
№2
-17
100
15
15
50
50
50
№3
-17
100
15
50
50
Сосуд 1 – горячая вода, Сосуд 2(3) – холодная вода
43
Эксперимент №1
1) 20 минут от начала эксперимента:
На поверхности воды в сосуде 2 образуется очень тонкий слой льда, вода в сосудах 1 и 3
без изменений.
2) 40 минут от начала эксперимента:
В сосуде 2 начали замораживаться стенки самого сосуда, на поверхности воды в сосуде 3
образовался слой люда, вода в сосуде 1 без изменений.
3) 60 минут от начала эксперимента:
Слой льда на поверхности воды в сосуде 2 увеличился, вода замерзла на 1/4 от объема
сосуда относительно поверхности воды (лед слегка неровный и мутноватый), в сосуде 3
начали замерзать стенки сосуда и лед на поверхности воды стал потолще, в воде в сосуде
1 стали образовываться кристаллики льда на дне и боковые стенки сосуда тоже покрылись
льдом.
4) 80 минут от начала эксперимента:
Вода в сосудах 2 и 3 без изменений, на поверхности воды в сосуде 1 образовался
тоненький слой льда, а относительно дна вода замерзла на 1/5 объема сосуда.
5) 100 минут от начала эксперимента:
Вода в сосуде 2 замерзла в отношении 2/4 от поверхности (лед мутноватый), вода в сосуде
3 замерзла практически наполовину относительно поверхности, лед также образовался на
дне и боковой стенке сосуда (лед мутноватый, на поверхности ровный), дно, боковые
стенки сосуда 1 полностью покрылись льдом, вода замерзла почти наполовину
относительно поверхности и на 1/4 относительно дна.
6) 120 минут от начала эксперимента:
Вода в сосуде 2 без изменений, вода в сосуде 3 замерзла в отношении 2/3 от поверхности,
вода в сосуде 1 практически замерзла, есть небольшой участок, где вода осталась (лед
прозрачный, на поверхности неровный).
7) 140 минут от начала эксперимента:
44
Вода во всех сосудах замерзла (лед в сосуде 1 прозрачный, на поверхности неровный, лед
в сосуде 2 мутный, ровный на поверхности, лед в сосуде 3 мутный ровный).
Точное время начала и конца замерзания воды: сосуд 1 (62-121 мин), сосуд 2 (20-124 мин),
сосуд 3 (40-133 мин).
Эксперимент №2
1) 20 минут от начала эксперимента:
Изменений не обнаружено.
2) 40 минут от начала эксперимента:
На поверхности воды в сосуде 3 образовался тоненький слой льда, вода в сосудах 1 и 2 без
изменений.
3) 60 минут от начала эксперимента:
Вода в сосуде 2 сверху покрылась тоненьким неровным слоем льда, слой льда на
поверхности воды в сосуде 3 стал потолще (лед ровный), вода в сосуде 1 без изменений.
4) 80 минут от начала эксперимента:
Лед на поверхности воды в сосуде 2 стал толще, также стенки сосуда тоже покрылись
льдом, вода в сосуде 3 без изменений, стенки сосуда 1 с водой покрылись льдом и на дне
стал образовываться лед.
5) 100 минут от начала эксперимента:
На поверхности воды в сосуде 1 появился слой льда, относительно дна вода замерзла в
отношении 2/5, лед в сосуде 2 покрыл 1/3 сосуда относительно поверхности, в сосуде 3
лед стал образовываться на дне и покрыл 1/3 сосуда относительно поверхности.
6) 120 минут от начала эксперимента:
Вода в сосуде 1 практически замерзла (лед прозрачный, на поверхности неровный), вода в
сосуде 2 замерзла в отношении 2/3 сосуда относительно поверхности и немного
относительно дна (лед почти прозрачный, неровный на поверхности), вода в сосуде 3
замерзла почти наполовину относительно поверхности и в отношении 1/3 относительно
дна.
45
7) 140 минут от начала эксперимента:
Вода во всех сосудах замерзла (лед в сосуде 1 прозрачный, на поверхности неровный, лед
в сосуде 2 почти прозрачный, на поверхности слегка неровный, лед в сосуде 3 ровный,
мутный).
Точное время начала и конца замерзания воды: сосуд 1 (65-127 мин), сосуд 2 (48-129 мин),
сосуд 3 (32-136 мин).
Эксперимент №3
1) 20 минут от начала эксперимента:
Снег под сосудом 1 протаял и сосуд наполовину погрузился в снег, со снегом под сосудом
2 ничего не случилось.
2) 40 минут от начала эксперимента:
Без изменений.
3) 60 минут от начала эксперимента:
На боковой стенке сосуда 1 стали образовываться кристаллы льда и дно покрылось слоем
льда, на поверхности воды в сосуде 2 образовался слой льда, также боковые стенки сосуда
тоже покрылись льдом.
4) 80 минут от начала эксперимента:
На поверхности воды в сосуде 1 образовался слой льда, лед относительно дна покрыл 1/4
часть сосуда, вода в сосуде 2 замерзла в отношении 1/3 сосуда относительно поверхности.
5) 100 минут от начала эксперимента:
Горячая вода стала более интенсивно замерзать относительно дна сосуда, вода в сосуде 2
без изменений.
6) 120 минут от начала эксперимента:
Вода в сосуде 1 замерзла в отношении 2/3 относительно дна и в отношении 1/4 от
поверхности, незамерзшим остался небольшой промежуток воды, вода в сосуде 2 тоже
почти замерзла, относительно поверхности 2/3 и небольшой слой льда на дне сосуда.
7) 140 минут от начала эксперимента:
46
Вода в сосуде 1 и 2 замерзла (лед в сосуде 1 прозрачный, слегка неровный на
поверхности, лед в сосуде 2 мутный, ровный на поверхности).
Точное время начала и конца замерзания воды: сосуд 1 (56-122), сосуд 2 (43-140).
Диаграмма времени заморозки воды
120
100
80
Сосуд 1
60
Сосуд 2
40
Сосуд 3
20
0
Опыт
№1
Опыт
№2
Опыт
№3
Вывод:
Исходя из данных полученных в ходе эксперимента явно видно, что во всех случаях
горячая вода замерзала быстрее холодной воды, следовательно, эффект Мпембы можно
считать доказанным. Явный эффект на замораживание воды оказало очищение воды от
примесей и газов в эксперименте №2, по диаграмме видно, что холодная вода отчищенная
от примесей замерзла быстрее холодной воды не отчищенной, это видно и по другим
диаграммам. По диаграммам видно, что во всех экспериментах горячая вода замерзала
быстрее холодной, хотя погрешности во времени заморозки допустимы, так как
замораживание происходило не при постоянных условиях, для более точных данных
необходимо производить опыт в постоянных условиях.
Использованная литература:
([1],[2]):http://www.o8ode.ru/article/tawa/mpemba.htm,
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%F4%F4%E5%EA%F2_%CC%EF%E5%EC%E1%FB
47
МГД – генератор
Садыков Марат, Борхович Михаил, Валиуллин Амир, Опарин Роман, Чураков Никита ученики 11 класса.
Руководитель: Морарь Людмила Витальевна, учитель физики
Гимназия № 56
Цель работы:
1) Сделать МГД – генератор
2)Найти условия, при которых МГД-эффект будет ярче всего выражен и рассчитать
мощность МГД-генератора.
Оборудование: полосовые магниты, микро (мили) - амперметр постоянного тока,
мультиметр, сосуд с горячей водой (t=50º-55º) и холодной водой объемом 100 мл, 2
медные пластинки, соляной раствор (концентрация 27%), сосуды разного объема,
электродвигатель с лопастями.
Теория и история:
Магнитогидродинамический эффект — возникновение электрического поля и
электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного
газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении
электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем
силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты,
жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного
поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов
противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы
устройства — магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые
относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
48
МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела
(электролита,
жидкого
металла
или
плазмы)
преобразуется
непосредственно
в
электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей пытался обнаружить ЭДС между
электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых
солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных
приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС [1]. А в 1970–80– е годы
возлагались
большие
надежды
на
создание
промышленных
МГД–генераторов,
использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки,
строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.
Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из
выпусков журнала “Двигатель” [2].
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с
другой стороны, они не очень распространены. Изучив соответствующую литературу, мы
составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов [3, 4, 5].
Преимущества МГД–генераторов:
- Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
- В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на
трение.
- Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами – в них протекают
объемные процессы.
С
увеличением объема
уменьшается роль
нежелательных
поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема,
а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что
соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
- При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных
веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
- Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для
производства
электрической
энергии
был
достигнут
благодаря
комбинации
магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы,
пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС,
перед которыми помещена МГД – ступень. Общий КПД таких электростанций достигают
небывалой величины – 65%
49
- Высокая маневренность
Недостатки МГД–генераторов:
- Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления.
Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 –
2000 м/с
-
Генератор
вырабатывает
только
постоянный
ток.
Создание
эффективного
электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
- Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания
топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные
инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
- Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение
электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность
работы электродов – общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько
тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
- Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции
магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные
системы, гораздо более мощные, чем опытные.
- При температуре газа ниже 2000°С в нем остается так мало свободных электронов, что
для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло,
поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а
образовавшийся пар подается в паровую турбину.
- На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГДгенераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела
морскую воду, не найдено.
Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо
преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.
В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были
заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было
увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два
медных листа, подключенных проводами к гальванометру.
50
Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший
распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада
на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны
проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам
Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми,
как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти
водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток. Однако,
увы, опыт не удался. Тем не менее, в 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот
опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического
генератора. Название этого генератора состоит из трех слов - магнит, гидро (вода) и
динамика (движение) - и означает получение электричества при движении воды в
магнитном поле.
Так почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы
оказалась не таким уж хорошим проводником электричества, были использованы
приборы с низкой чувствительностью. А разность потенциалов существовала, и она была
измерена спустя 19 лет физиком Волластоном. И тогда же Уильям Томсон (лорд Кельвин)
предложил использовать этот эффект для преобразования энергии движения морской
воды во время приливов в электрическую энергию. Так были заложены идейные основы
нового метода преобразования энергии, который дает возможность использовать
природное топливо с большим КПД, чем в традиционных ТЭС. Этот метод называют
магнитогидродинамическим.
Эксперимент
Ход работы:
1) Создать МГД-генератор [4]
2)Проверить зависимость силы тока от площади электродов (смотреть таблицу №1):
51
Таблица №1 Зависимость силы тока от площади электродов (медь-медь)
1 (М-М)
2 (М-М)
S
32(мм)*38(мм)
16(мм)*19(мм)
L
70(мм)
70(мм)
T
55˚
55˚
I(0)
0 мкА
0,5 мкА
I
1мкА
0,5 мкА (±0,05мкА)
∆t
10 с
10 с
V
0,1 л
0,1 л
3)Проверить зависимость силы тока от расстояния между пластинами (медь-медь).
4)Проверить зависимость силы тока от материала, из которых изготовлены
пластины.
5)Проверить зависимость силы тока от величины модуля вектора магнитной
индукции.
6)Проверить зависимость силы тока от объема раствора в сосуде.
Результаты смотреть в таблице №2
52
Таблица №2
Материал (сталь-
Магниты (М-М)
сталь)
Расстояние (М-
Объем
М)
раствора
(М-М)
S
32(мм)*38(мм)
32(мм)*38(мм)
32(мм)*38(мм)
16(мм)*
19(мм)
L
70(мм)
70(мм)
30(мм)
70(мм)
t
55˚
55˚
55˚
50˚
I(0)
-
Усиление
0,5 мкА
0 мкА
1 мкА
I=0,5
6мкА
I
(без
движения
воды)
магнитного
поля
увеличивает
силу
мкА
тока (без движения
воды).
Iмакс=1
мкА
∆t
-
-
2с
10 с
V
0,1 л
0,1 л
0,1 л
0,1 л
Вывод:

сила тока зависит
1. от расстояния между пластинами (чем меньше расстояние, тем больше сила тока)
2. от величины модуля вектора магнитной индукции (кол-во магнитов, чем больше
кол-во магнитов, тем больше сила тока)
3. от температуры (чем выше температура, тем больше значение силы тока)
4. от движения раствора в сосуде (чем больше скорость движения, тем больше
значение силы тока)
5. от объема раствора в сосуде (чем больше объем, тем больше значение силы тока)
53
6. от площади погруженной в раствор части пластины (чем больше площадь, тем
больше значение силы тока).

Максимальная мощность МГД-генератора изготовленного нами 27 мкВт
Литературные источники:
1. http://www.naukadv.ru
2. Касьян А. «Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе», журнал
«Двигатель», 2005, №6
3. Магомедов А.М. «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии», ИПО
«Юпитер», 1996.
4. Ашкинази Л. «МГД–генератор», журнал «Квант», 1980, №11.
5. Кириллин В.А. «Энергетика. Главные проблемы», Знание, 1990.
54
Исследовательская работа: «Концы в воду и не только»
Зыков Иван, 11 класс
Руководитель: Злобин Виталий Викторович, учитель физики
МОУ «Чеканская аграрная средняя общеобразовательная школа»
Исследовательская работа
Цель: исследовать процесс взаимодействия камня, находящегося в свободном
падении с поверхностью воды, определить условия, при которых возможна максимально
достижимая высота капли, образованной как результат взаимодействия падающего камня
и воды, а также определить её максимальное значение.
Ход работы:
Как же должна вести себя капля, вытесненная камнем, который падает с
определённой высоты? Будем проводить исследования для капли, как для капли, объёмом
всей вытесненной жидкости камнем. Тогда в соответствии с законом Архимеда объём
капли будет равен объёму камня. Теперь следует подробно разобрать удар камня о воду с
точки зрения механики. Поскольку после удара камня о воду образуется капля, то удар
считается упругим. Какова же степень этой упругости? В случае абсолютно упругого
удара капля должна подскочить на ту же высоту, с которой падает камень. На какую же
высоту поднимется капля в остальных случаях?
Чтобы выяснить это, нужно подробно исследовать природу упругого удара на
данном примере. Конечно, камень по своей природе – неупругое тело, но поскольку здесь
рассматривается система камень – вода, а вода - как упругая среда, так как образуется
капля, поэтому взаимодействие камня и воды рассматривается как взаимодействие
упругих тел. Камень достигает воды, в точке соприкосновения он погружается в воду, а
среда воды уменьшает его скорость. До данного момента камень ведёт себя так, как вело
бы себя и неупругое тело; значит его скорость в этот момент равна u, а потеря скорости
как v1-u. Но вода сразу же начинает выталкивать камень, а точнее каплю, которой был
получен его импульс. При этом камень, конечно, напирает на воду, мешающую передаче
55
полный импульса капле. Теперь возникает сила, действующая на каплю и уменьшающая
его скорость. Если капля восстанавливает импульс камня, т.е. проходит в обратном
порядке те же этапы изменения формы, которые прошёл камень при входе в воду, то
новая потеря скорости должна равняться прежней, или v1-u, а следовательно, в общем
скорость капли как результата вполне упругого взаимодействия камня и воды должна
уменьшиться на 2 (v1 – u) и равняться
v1 – 2(v1-u)=2u-v1.
Если же считать результат взаимодействия камня и воды не вполне упругим, то
тогда считаем, что камень не в полной мере предаёт импульс капле. При создании капли
действует сила, меньшая той, которая этот импульс передала в полной мере, а
соответственно этому потеря скорости за период образования капли
меньше
первоначальной; она не равна v1-u, а составляет некоторую долю её, которую обозначим
буквой е и назовём степень упругости взаимодействия камня и воды.
Итак, потеря скорости при упругом ударе в первом периоде, т.е. при падении камня
в воду до образования капли равна v1 –u, во втором, т.е. после образования капли равна
е(v1-u). Общая потеря равна (1+е)(v1-u), а скорость капли u1, остающаяся после
взаимодействия камня с водой равна
u1=v1 – (1+e)(v1-u) = (1+e)u –ev1.
Скорость же u2 ударяемого тела ( в данном случае поверхности воды), которое
отталкивается камнем по закону противодействия должна быть равна
u2= (1+e)u –ev2.
Разность u2-u1 обеих скоростей равна ev1-ev2=e(v1-v2), откуда находим степень
упругости взаимодействия камня и воды
e=(u2-u1)/(v1-v2).
Для камня, ударяющегося о неподвижную поверхность воды, скорости равны u2 =
(1+е)u – ev = 0, v2=0. Следовательно,
e=u1/v1.
Но u1 есть скорость капли равная
капля,
, где h – высота, на которую подскакивает
, где H – высота, с которой камень упал. Значит,
Итак, мы нашли способ определять степень упругости взаимодействия камня и воды,
характеризующую
коэффициент
отступления
от
свойств
абсолютно
упругого
взаимодействия тел, в данном случае камня, а в последующем образованной им капли
56
воды и поверхности воды. То есть, чтобы найти e нужно измерить высоту, с которой
падает камень, и высоту на которую подскакивает капля, квадратный корень из
отношения этих величин даёт искомый коэффициент.
Например, возьмём величину e=0,75.Это означает, что 75% энергии было передано
капле, 25% - потрачено на взаимодействие камня и воды. Тогда высота капли h=3/4H.
В данной исследовательской работе нужно определить максимальную высоту. Это
возможно только тогда, когда взаимодействие камня с поверхностью воды представляет
собой абсолютно упругий удар, после которого капля полностью получает импульс камня
без потерь на воду, что соответствует закону сохранения импульса при абсолютно
упругом ударе.
Стоит отметить, что физически это сделать практически не возможно, так в природе
нет ничего абсолютного, тем более при данных условиях, а именно взаимодействие камня
и воды. Можно лишь приблизиться к этому случаю, при этом, учитывая, что в данном
случае капля содержит весь объём вытесненной жидкости камнем, а удар, то есть
взаимодействие системы камень-вода, с последующим образованием капли, объёмом
равным объёму камня (по закону Архимеда) считать вполне упругим, то есть значение
величины е стремится к единице: е
1. Тогда значение максимальной высоты, на
которую поднимется капля будет стремиться к значению высоты, c которой падает камень
– H:
h max
H.
Вывод: Таким образом, в ходе данной исследовательской работы было обнаружено,
что значение высоты капли, имеющей весь объём вытесненной жидкости и образующейся
после падения камня в воду зависит от удара, а точнее его степени упругости при
взаимодействии камня и воды, обозначенной как коэффициент e. Например, при не
вполне упругом ударе e = 75% , 25 % энергии теряется при передаче камнем импульса
капле. Тогда капля поднимется на высоту 3/4 от высоты падения камня H. Максимальная
же высота капли h будет при е
к абсолютному, тогда есть h max
1,что возможно при вполне упругом ударе, стремящемся
H.
57
Отчёт об исследовании по теме: «Концы в воду и не
только»
Малых Иван Андреевич (10кл), Огородников Павел Юрьевич (10кл), Каретников
Александр Петрович (10кл), .Кузнецов Александр Дмитриевич (10кл)
Руководитель: Вахрушева Людмила Геннадьевна
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Мукшинская средняя
общеобразовательная школа Якшур-Бодьинского района
58
Вода − наиболее распространенное соединение на Земле. Водная оболочка Земли –
гидросфера – занимает около 71% земной поверхности. В связанном виде вода находится
и в земной коре. Известно, что при плавлении 1 км3 гранита может выделиться 26 млн. т.
воды. Вода играла и играет определенную роль в геологической истории Земли, в
формировании климата и погоды, в круговороте веществ, в физиологической и
биологической сферах жизни. Физические свойства воды представлены в таблице:
Tкип = 100 0 С
Относительная молекулярная масса = 18,016
Tпл = 0 0С
Теплоёмкость льда при 0 0 С = 2,038 кДж/кг
Теплоёмкость воды 4,184 кДж/(кг ∙ К)
Вода − жидкость без цвета и запаха. Она имеет самую высокую теплоемкость среди
жидкостей. Плотность воды в отличие от других жидкостей по мере охлаждения не
возрастает монотонно, а проходит через максимум при + 4 0С, затем несколько
уменьшается. При замерзании плотность несколько уменьшается и составляет для льда
0,91 г/см3. Теплота плавления льда аномально высока: например, она в 13,5 раз выше, чем
у свинца.
Необычайные свойства воды объясняются её строением. Молекула воды нелинейна –
угол между связями Н− О− Н равен 1040 27'. Связи Н−О и ковалентны, и полярны, то есть
некоторый положительный заряд несут атомы водорода, а отрицательный – атом
кислорода. Вследствие этого связанный атом кислорода способен притягивать атом
водорода соседней молекулы с образованием водородной связи, что существенно
повышает общую энергию связи. Таким образом, молекулы в воде ассоциированы. В
кристаллах льда водородные связи ещё сильнее. В силу высокой полярности молекул Н 2О
вода является самым лучшим растворителем.
Вода – великий обманщик. Изучение свойств воды было непростым делом: на смену
великим заблуждениям приходили триумфальные озарения. В чём же сложность?
Установили, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4 0С: она
уменьшается в объёме, а при дальнейшем понижении температуры до 0 0С снова
расширяется, пока не замерзнёт. Это свойство приводит к чрезвычайно важным
последствиям.
Зимой поверхностная вода, охладившись до +4 0С, опускается на дно; процесс идёт до
тех пор, пока вода вся не охладится до этой температуры, соответствующей её
максимальной плотности, конечно, оставаясь при этом не замёрзшей.
В интервале температур от + 4 0С до 0 0С вода менее плотная и всплывает наверх,
превращаясь при дальнейшем понижении температуры в лёд. Вода, охлаждённая до 0 0С,
оказывается своеобразным экраном и, как шубой, укрывает нижележащие, более плотные
59
слои, препятствуя их промерзанию. Таким образом, создаются благоприятные условия для
обитателей водоёмов в зимнее время. В пресных водоемах в суровые зимы толщина льда
увеличивается весьма значительно. Следовательно, исключается газовый обмен с
атмосферой, и обитатели водоёма пользуются запасами кислорода, накопленными в воде
до образования ледяного покрова.
Если расход кислорода весьма значителен, то запасы его быстро истощаются и весной
рыбаки, могут из прорубленных во льду лунок прямо руками выбирать всплывшую к
поверхности рыбу. При этом они частично разрушают поверхностный лёд и, таким
образом, дают возобновиться газовому обмену в системе атмосфера–вода.
А вот другая аномалия воды. Обычно твёрдая фаза вещества тяжелее жидкой. Вода не
подчиняется этому правилу: лёд держится на поверхности и никогда не тонет. Его объём
при одной и той же массе на 9% больше объёма незамерзшей воды, поэтому только
небольшая часть ледовой массы возвышается над поверхностью воды, а значительные
объёмы льда скрыты в глубине. По этой причине айсберги представляют серьёзную
опасность для судоходства.
Сохранение льда на поверхности воды сохраняет нашу планету от оледенения. Лёд
доставил бы неприятности глобального масштаба и потому, что скрытая теплота его
плавления составляет большую величину (333,7 кДж/кг).
Теплота плавления и парообразования играют важную роль в системе атмосфера –
гидросфера – литосфера. Таяние льда и снега связано с огромными тепловыми затратами,
поэтому процесс этот происходит постепенно, и паводковые воды, как правило, сходят
медленно, не причиняя ущерба. Лишь в исключительных случаях, когда температура
воздуха весной резко повышается, процесс таяния становится таким интенсивным, что
приводит к наводнениям, которые приобретают порой угрожающие масштабы.
Большую скрытую теплоту плавления льда мы используем, не догадываясь об этом, в
нашей повседневной жизни. Например, в жаркие летние дни многие охлаждают
фруктовые напитки и соки кусочками льда, полагая, что это обусловлено температурой
самого льда, а не скрытой теплотой плавления. А в самом деле, на таяние льда требуется
энергия, которая берется из окружающей среды, за счет этого и происходит охлаждение.
Большое количество теплоты тратится и на испарение воды: на испарение 1 кг воды
тратится 2254 кДж, в семь раз больше, чем на плавление такого же количества льда. Это
свойство помогает сохранять воду на Земле. Теплота плавления и теплота
парообразования способствует плавным температурным переходам и регулирует климат
на Земле. В нашей климатической зоне отчётливо выделяются такие сезоны, как осень и
весна. Они имеют свои особенности с характерными для каждого сезона температурными
изменениями, которые зависят от способности льда и воды скрыто поглощать тепло.
Но это не все аномалии главного вещества планеты.
60
Экспериментальное задание: «Концы в воду и не только».
Участники:
1) Кузнецов Александр; 2) Каретников Александр; 3) Малых Иван; 4) Огородников
Павел.
Ученики 10-го класса МБОУ Мукшинская СОШ Якшур-Бодьинского района.
Постановка задачи: при падении камня в воду может возникнуть капля, летящая вверх.
Исследовать явление. Добиться максимальной высоты подъёма такой капли.
Описание экспериментальной установки: ёмкость с водой, линейка, термометр, весы,
различные тела, кипятильник.
При падении тел в воду возникают капли, летящие вверх. Добившись максимальной высоты подъёма такой капли измеряем её с помощью линейки. Опыт выполнялся не менее 3х раз. Изменив температуру воды, повторили опыты и полученные результаты внесли в
таблицу.
Вывод: анализ полученных результатов говорит о том, что при более низкой температуре
высота подъёма капель увеличивается пропорционально массе тела.
Тело
Температура, С
Высота, Н средн.
Болт
2
78,3
Камень
2
79,3
Парафин
2
65,6
Тело
t температура
Высота h, см
Среднее h, см
Парафин
55 C
90,80,70
80
Камень
55 C
70,60,78
69,3
Болт
55 C
75,70,76
73,6
61
Промежуточные результаты:
ТЕЛО
МАССА
m, гр
ВЫСОТА
h, см
При
t=22°С
ВЫСОТА
h, см
При
t=42°C
Парафин
15
70
63
Камень
17
75
73
Мыло
25
60
63
Болт
45
85
58
Вывод: анализ полученных
результатов говорит о том, что при
более низкой температуре высота
подъёма капель увеличивается
пропорционально массе тела.
Литература
1. Тихомирова С.А. Физика в пословицах, загадках и сказках. М.: Школьная пресса, 2002.
2. Гулиа Н.В. Удивительная физика. О чём умолчали учебники. М.: НЦ ЭНАС, 2003.
3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1982. (Электронная версия:
Злыгостев А.С. http://historik.ru/books/item/f00/s00/z0000027)
4. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике 9–11классы. М.:
Вербум-М, 2001.
5. Низамов И.М. Задачи по физике. М.: Просвещение, 1967, 1980.
6. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике. М.: Просвещение, 1972.
(Электронная версия http://www.takelink.ru/knigi_uchebniki/nauka_obrazovanie/36194metodika-resheniya-zadach-po-fizike.html
7. Гельфгат И. М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А.1001 задача по физике. М.: Илекса, 2001.
8. Газета/журнал «Физика-Первое сентября» за 2010–2013 гг.
62
Составитель Игорь Владимирович Милютин
Школа-турнир по физике для учащихся 9-11 классов «Вначале было измерение…»
СБОРНИК
отчетов о проведенных участниками исследованиях
Напечатано с оригинал-макета заказчика
Подписано в печать 14.01.15, Формат А4
Печать офсетная. Усл. печ. л.
Тираж 115 экз.
Уч.- изд. л.
Заказ №
Типография ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»
426034, Ижевск, Университетская, 1, корп. 2.
63