Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа№10 с. Солдато-Александровского Советского района» Ставропольского края Всероссийский фестиваль педагогического творчества (2014/15 учебный год) Номинация: Проектная и творческая деятельность учащихся ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА СВОЙСТВА ВОДЫ Автор: Плотникова Кристина Сергеевна, учащаяся 10 класса МОУ СОШ №10 Руководитель: Терещенко Александр Петрович, учитель физики МОУ СОШ №10 1 Оглавление Аннотация ……………………………………………………….. 3 стр. Введение …………………………………………………………. 4 стр. Глава 1. Исследование физических свойств воды, прошедшей СВЧтермообработку в сравнении с водой, нагретой в электрочайнике. 1.1 Удельная теплоемкость …..………….……8 стр. 1.2 Способность к растворению солей .….......10 стр. 1.3 Показатель преломления……….……..……11 стр. 1.4 Поверхностное натяжение…………………12 стр. 1.5 Капиллярное давление ..……...……………13 стр. Глава 2. Сравнение свойств воды, обработанной в СВЧ – печи и простой воды при поливе растений …..…………..…………...15 стр. Выводы и практические рекомендации……………….……...… 19 стр. Заключение ……………………………………………………….. 20 стр. Список литературы, Интернет-ресурсов, использованных при проведении работы.………………………………..………… 21 стр. 2 Аннотация Цель данного школьного исследовательского проекта – выяснить, как влияет облучение высокочастотными электромагнитными волнами при термообработке в микроволновой печи на физические свойства воды, представляет ли опасность такая вода для растений. Эксперименты проводились с использованием бытовой микроволновой печи «Скарлетт», в которой мы нагревали воду до 50⁰С, охлаждали и затем поливали рассаду. Кроме того, чтобы исключить влияние именно термообработки, параллельные опыты повторялись в аналогичных условиях с водой, которую нагревали до 50⁰С в простом электрочайнике. Используя возможности школьного кабинета физики, мы попытались сравнить такие свойства простой и обработанной микроволнами воды, как удельная теплоемкость, коэффициент преломления света, поверхностное натяжение, способность растворять соли, капиллярное давление. Результаты опытов фиксировались на цифровой фотоаппарат с возможностью видеозаписи. Объём печатной работы составил 20 страниц формата А4, включая 18 иллюстраций в виде рисунков и фотографий, 2 графика, построенных с помощью электронных таблиц Microsoft Excel 2007, одна таблица опытных измерений. По результатам опытов сделаны выводы: - есть ли различия в свойствах воды простой и обработанной сильным электромагнитным излучением; - как отражается на растениях применение для полива облученной воды. Итогом проекта стал отчёт с рекомендациями по безопасности использования бытовых микроволновых печей, сформулирована проблема широкого использования электромагнитных волн высокой частоты в масштабах всего человечества. Библиографический список работы состоит из 9 источников. 3 Введение Наш мир существует в среде электромагнитных волн различной частоты и интенсивности, причём в последние годы плотность этих излучений многократно возросла. Радио и телевидение, сотовая связь, микроволновые печи, рентген и естественная природная радиация, а на очереди беспроводная передача электроэнергии. По прогнозам ученых к 2036 году дети не будут знать, что такое провода, так как электрическая энергия будет транспортироваться с помощью электромагнитных волн. Однако на гребне технических достижений человек забывает о собственной безопасности, влияние электромагнитных волн на живые организмы исследовано мало. За те тысячи лет, в течение которых человек больше не питается сырой пищей, произошло всего несколько революционных изменений способа тепловой обработки продуктов. Одна революция грянула в XIX веке, когда альтернативой открытому огню стало тепло от электрического нагревательного элемента. Вторая случилась в середине ХХ столетия, и ознаменовалась она пришествием на кухни микроволн, заперев которые в ларце микроволновки, человек впервые стал готовить себе пищу с помощью электромагнитного излучения. Рис.1 4 Микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение — это часть спектра электромагнитных волн (рис. 1), лежащая между волнами, на которых работают радары, и волнами, на которых ведется телевизионное вещание. Чтобы наши микроволновки не мешали ни радарам, ни телевизионным станциям, для них выделена одна частота — 2450 МГц. Все микроволновые печи на всех кухнях мира работают именно на ней. Нетрудно подсчитать, что такой частоте соответствует длина волны излучения 12,25 см. Как же происходит нагрев пищи в микроволновке? Дело в том, что многие молекулы, входящие в состав пищевых продуктов (и прежде всего молекулы воды), обладают полярностью: на одном конце такой молекулы имеется положительный электрический заряд, на другом — отрицательный. Когда пища лежит на столе, молекулы совершают хаотические тепловые колебания (рис. 2). Если бы, поместив продукты в печь, мы создали в ее полости постоянное электрическое поле, то все молекулы вытянулись бы в нем «по струнке», «плюсом» — к отрицательному электроду, «минусом» — к положительному. Но электромагнитное поле в нашей микроволновке не постоянное, а, наоборот, весьма переменное: его полярность меняется 4900 миллионов раз в секунду (вот что значит частота 2450 МГц!). В результате молекулы воды и других органических веществ «кувыркаются» с бешеной скоростью. Рис. 2. Поведение полярных молекул пищевых продуктов: 1 — вне электромагнитного поля, 2 — в постоянном поле, 3 — в высокочастотном переменном поле Тот, кто хотя бы немного помнит школьную физику, должен знать, что скорость движения молекул и температура вещества — вещи взаимосвязанные. Быстрые «кувыркания» молекул приводят к разогреву пищи. 5 Устройство микроволновой печи показано на рис. 3. В корпусе 1 находится высоковольтный трансформатор 2 и магнетрон 3. Вентилятор 4 служит для отвода тепла, выделяющегося при работе магнетрона. Микроволны, излучаемые антенной 5 магнетрона, по специальному каналу — волноводу 6 поступают в полость 7 печи. Стенки волновода и полости сделаны из металла, отражающего микроволны 8. Многократно отразившись от стенок полости, микроволновое излучение попадает на посуду 9 с пищевыми продуктами, установленную на вращающемся столе 10. Благодаря вращению стола пища равномерно прогревается потоком микроволн. Рис. 3. Микроволновая печь: 1 — корпус, 2 — высоковольтный трансформатор, 3 — магнетрон, 4 — вентилятор, 5 — антенна, 6 — волновод, 7 — полость печи, 8 — микроволны, 9 — посуда, 10 — вращающийся стол Сколько лет существуют микроволновые печи, столько лет их владельцев пугают опасностью СВЧ-излучения. Изготовители микроволновок заявляют, что пища из микроволновой печи не имеет большой разницы в составе, по сравнению с пищей, обработанной традиционными способами. Излучение в бытовых печах не является ионизирующим, оно не оказывает разрушающего действия на органические вещества и биологические ткани (Рис.1). Цель данной школьного исследовательского проекта является изучение влияния сильного электромагнитного излучения в бытовой микроволновой печи на воду как самый важный компонент существования живых организмов. 6 В интернете мы обнаружили такой факт [2 - 7], что при поливе растений водой, которая прошла термообработку в микроволновой печи, в течение 9 дней растение погибает (подробности эксперимента не приводится). Мы ставим задачу проверить этот факт по всем правилам физического эксперимента (повторяемость испытаний, сравнимость с параллельными «холостыми» опытами). Кроме того, мы попробуем найти доступными нам способами отличия физических свойств облученной от обыкновенной воды. Для сравнимости опытов мы подобрали режим нагревания воды до примерно одинаковой температуры 50 ⁰С в микроволновой печи (400 мл воды в течение 3 минут на максимальной мощности) и в электрочайнике (1 л воды в течение 2 минут 45 секунд). Температура 50 ⁰С выбрана, во-первых, как наиболее применимая в быту при разогреве продуктов. Во-вторых, она позволяет исключить фактор влияния на свойства воды именно мощной термообработки. Вода после нагревания охлаждалась в течение 3-4 часов до комнатной температуры, а затем использовалась для опытов. 7 Основное содержание Глава 1. Исследование физических свойств воды, прошедшей СВЧтермообработку в сравнении с водой, нагретой в электрочайнике. 1.1 Удельная теплоемкость. Для СВЧ-печи и электрочайника нами подобраны режимы (масса воды и время нагревания), при которых нагревание происходит до одинаковой температуры ≈ 50⁰С (на наш взгляд именно в таком режиме чаще всего используется микроволновка в быту). Рис.4 Рис.5 Для измерения температуры использовались ртутные лабораторные термометры (Рис.4) со шкалой 0-55⁰С и ценой деления 0,1⁰С. Нагретая одновременно вода одинаковой массы охлаждалась в естественных условиях в одинаковой алюминиевой посуде. Для исключения побочных факторов (близость окна, сквозняки) опыт повторялся, меняя образцы местами. Измерения значения температуры производились одновременно каждые три минуты (Рис.5). По итогам измерений составлены таблицы результатов в электрон8 ных таблицах Microsoft Excel, которые позволяют получить графики зависимости температуры воды от времени в процессе охлаждения. Полученные результаты с достаточной точностью позволяют сделать вывод, что скорость охлаждения образцов одинакова в равных условиях, т.е. удельная теплоемкость образцов не отличается. 9 1.2 Способность к растворению солей. Нами разработан метод для сравнения способности воды к растворению поваренной соли после СВЧ и после электрочайника при одинаковой комнатной температуре. 1. Используя мензурку объемом 100 мл с ценой деления 1 мл, наливаем в стакан 50 мл воды. 2. Взвешиваем стакан с водой. 3. Во второй пустой сухой стакан по массе с помощью лабораторных весов отбираем поваренную соль. 4. Осторожно высыпаем соль в стакан с водой. 5. Выдерживаем соль в воде 5 минут без перемешивания. 6. С помощью мензурки отливаем 20 мл раствора соли в новый стакан. 7. Взвешиваем остаток раствора с нерастворившейся солью. 7. Взвешиваем слитые 20 мл раствора, вычисляем плотность раствора соли: 𝜌 = 𝑚 𝑉 (г/см3). Таблица измерений: Измеряемые величины После После СВЧ электрочайника 1. Масса стакана с водой, г 96,4 96,4 2. Масса стакана с солью, г 80 80 3. Масса стакана с водой и солью, г 149,8 149,8 4. Время выдержки, мин 5 5 5. Объём отлитого раствора, мл 20 20 6. Масса оставшегося раствора, г 126,7 127,6 7. Масса отлитого раствора, г 23 21,7 8. Плотность раствора, г/см3 1,15 1,085 Результаты показывают, что способность воды растворять соли после обработки в микроволновой печи заметно ( на ≈ 6%) уменьшается. 10 1.3 Показатель преломления Используя источник света, экран с щелью и плоскопараллельную кювету, мы получили картинки падающего и преломленного лучей. Известно, что результатом преломления в такой системе является параллельное смещение светового луча, величина смещения зависит от показателя преломления среды. Рис.6 Рис.7 На фотографиях (Рис. 6, 7) наблюдается небольшое различие направления преломленных лучей, из которого следует, что показатель преломления воды, обработанной в СВЧ-печи несколько больше. 11 1.4 Поверхностное натяжение Оценка поверхностного натяжения воды производилась (Рис.8), способом отрыва от поверхности жидкости кольца тонкой проволоки диаметром 200 мм с помощью лабораторного динамометра со шкалой в 1Н и ценой деления 0,01Н Рис.8 Рис.9 Рис.10 12 Измерения фиксировались с помощью видеокамеры. Полученные видеофайлы мы анализировали с помощью программы InstGrom.exe (электронное приложение к учебнику физики 11 класса под редакцией Громова С.), которая позволяет прокручивать видео по кадрам, т.е. с точностью 1/24 секунды. Это позволило зафиксировать показания динамометра именно в момент отрыва кольца от поверхности воды с хорошей точностью. Опыт показал ощутимую разность поверхностного натяжения: показания динамометра ≈0,07 Н для воды, обработанной в микроволновке (Рис.9), и ≈ 0,09 Н у простой воды (Рис.10). 1.5 Капиллярное давление Для исследования мы применили U- образный сосуд, состоящий из трех стеклянных трубок (Рис.11). Левая трубка на фото – диаметром 5 мм, для которой влияние капиллярности незначительно. Средняя и правая трубки – капилляры, причем у правого капилляра диаметр меньше. Рис.11 13 Рис.12 Рис.13 На первой фотографии (Рис.12) в трубки залита вода, обработанная до 50⁰С в СВЧ – печи, уровень такой воды в капиллярах лишь незначительно больше, чем в левой трубке большого диаметра. На нижнем фото (Рис.13) в трубках вода, которую подвергали термообработке до 50⁰С в простом электрочайнике. Сосуды заполнены до первона14 чального уровня в широкой трубке. Для наглядности на капиллярах сохранены метки первого опыта. При этом очень четко видна разница уровней воды в капиллярах, он значительно выше, чем для воды после СВЧ. Особенно эта разница заметна для тонкого капилляра. Разница высоты подъема жидкости в капиллярах объясняется различной способностью к смачиванию стеклянных стенок трубки у простой воды и воды, обработанной в микроволновой печи. Глава 2. Сравнение свойств воды, обработанной в СВЧ – печи и простой воды при поливе растений. Рис.14 Мы использовали для полива саженцы редиса, полагая, что широколистные растения нуждаются в интенсивном поливе, а, следовательно, более зависимы от свойств воды. Земля в контейнерах совершенно одинакова, почва хорошо перемешана перед загрузкой в контейнеры. Возраст саженцев в 15 начале опыта 7 дней (Рис.14), опыт проводился в течение трех недель. Для полива водой из СВЧ-печи нами выбран правый контейнер, в котором растения даже немного опережают в развитии своих ровесников в левом контейнере. Выращивание производилось с 23 сентября по 15 октября на подоконнике физической лаборатории, в условиях, в основном, солнечной погоды. Контейнеры постоянно менялись местами, поворачивались на 360⁰, чтобы исключить фактор различной освещенности. Полив производился в понедельник, среду и пятницу равными порциями по 100-120 мл, до появления на поверхности почвы водяной пленки. Рис.15 Но уже после 3-4 поливов нами отмечен факт, что в контейнере, поливаемом водой после СВЧ-печи, для появления водяной пленки требуется в несколько раз меньше воды (примерно в 3 раза). Кроме того, если после полива простой воды уже через 10-20 минут пленка воды исчезала, т.е. вода впиты16 валась в почву, то вода после СВЧ-обработки стояла сверху 5-6 часов. Мы были вынуждены уменьшить порцию для полива этой водой, тем не менее, вода подолгу не исчезала с поверхности почвы (Рис.15) Рис.16 Уже после 10 дней полива стали заметны различия в развитии саженцев (Рис.16). У саженцев после полива СВЧ-водой стебли тоньше, они не выдерживают вес растения, стелятся на почве, площадь листьев заметно меньше. Заметно также различие в цвете стеблей. Потребление воды отличается в 4-5 раз, такое впечатление, что саженцы «отказываются» питаться такой водой. Кроме того, в контейнере с поливом простой водой появляется мелкая сорная растительность, что вполне естественно для почвы с садового участка. В контейнере же с поливом водой после СВЧ-облучения почва чистая от сорняков, словно мокрый асфальт. 17 Рис.17 Рис.18 На итоговых фотографиях (Рис.17, 18) саженцы после полива облученной водой значительно меньшего размера, стебли тонкие, красноватого цветы, стелятся на почве (после трех недель полива). 18 Выводы и практические рекомендации. Облучение электромагнитными волнами высокой частоты воды в бытовой микроволновой печи изменяет свойства воды. 1. Практически не изменяются, а если изменяются, то незначительно, удельная теплоемкость воды как теплоносителя и её оптические свойства (показатель преломления светового луча) 2. Существенно изменяется способность воды растворять соли, в нашем опыте плотность солевого раствора в облученной воде на 6 % меньше, чем в простой воде. 3. Ощутимо уменьшается в результате облучения поверхностное натяжение воды, что, как следствие, снижается её капиллярное давление, т.е. способность воды подниматься по капиллярам почвы и растений. 4. Опытным путем доказано, что использование облученной в электромагнитном поле воды для полива растений негативно отражается на скорости их роста и развитии. Уменьшается потребление воды, потому что хуже работают капилляры почвы и в растениях. Даже избыточный полив производит впечатление недостаточности питательной среды для ростков. Практические рекомендации наши осторожны: клинических испытаний на живых существах мы не проводили, но на примере растений доказали негативное влияние на растительные клетки облученной воды. Поэтому, по возможности, на всякий случай, следует избегать тепловой обработки продуктов в микроволновой печи, особенно в жидком состоянии, т.к. вода быстро впитывается в кровь и может повлиять на её свойства как растворителя и капиллярной среды (не забывайте, что кровеносные сосуды человека, в основном, тончайшие капилляры). 19 Заключение. Результаты нашего исследования, конечно, далеки от категоричного вывода, что «при поливе растений водой, которая прошла термообработку в микроволновой печи, в течение 9 дней растение погибает» [4, 5]. Однако негативное воздействие на растения при поливе такой водой можно считать доказанным фактом. Особенно настораживает тот факт, что при этом ухудшаются замечательные свойства воды как растворителя, питательной среды. Капиллярное давление – необходимое условие для жизни растений, доставки питательных веществ из почвы к растительным клеткам. Кровь человека и животных такой же растворитель, а кровеносные сосуды – капилляры, работа которых в значительной степени обусловлена способностью жидкой среды к смачиванию стенок капилляра. В конце концов, человек в целом на 70-80% состоит из воды (по разным источникам [3]). В результате развития в геометрической прогрессии областей применения электромагнитных волн, увеличения плотности окружающих нас электромагнитных полей, их неблагоприятное влияние на воду может стать глобальной проблемой в масштабах человечества. 20 Список литературы, Интернет-ресурсов, использованных при проведении работы. 1. Всеволод Арабаджи, «Загадки простой воды», Москва, «Знание», 1973 г. 2. Петрянов И.В., «Самое необыкновенное вещество в мире», Москва, «Педагогика», 1975 г. 3.Громов С.В., «Физика», учебники для профильных 10 и 11 классов, Москва, «Просвещение», 2000 г. 4. http://www.cge91.ru/ 5. http://www.eat4fit.ru/ 6.http://koshcheev.ru/ 7.http://rateh.ru/ 8. http://vacha-dieta.ru/ 9. http://vperedi.ru/ 21