Исследовательская работа "Что делают вороны на льду"

Муниципальное казенное учреждение Краснослободского муниципального района Республики Мордовия «Управление образованием»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Краснослободский многопрофильный лицей»

Учебно-практическая конференция

  исследовательских и проектных работ учащихся

«ФИЗИКА: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ

 И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ»

Номинация: «Связь физики с другими

образовательными дисциплинами».

ПРОЕКТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Что делают вороны на льду»

Подготовила:

Быстрова Светлана Станиславовна

учащаяся 8 класса

МБОУ "Красноподгорная средняя общеобразовательная школа"

Руководитель:

Сидорова Наталья Викторовна, учитель физики

МБОУ "Красноподгорная средняя

Контактный телефон:

 8(83443)26-1-67

e – mail: [e-mail]

Я, Быстрова Света, учусь в 8 классе. В этом году на уроках физики мы, изучая тему «Тепловые явления», говорили о способах передачи тепла от одних тел к другим, о значении теплопроводности различных веществ, об изменении внутренней энергии при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Учитель физики, объясняя материал, сказала, что все явления, происходящие в природе можно объяснить с помощью законов физики.

В этом году зима началась необычно. Стояли морозы, водоемы сковал лед, а снега все не было. От этого на улице казалось еще холоднее. Однажды, проходя по мосту через реку Мокшу, поверхность которой уже была покрыта льдом, я обратила внимание на большую стаю птиц, сидящих на льду. Наверное, никого не удивят птицы, которые сидят на деревьях, где гораздо удобней и безопасней. Лед на реке был чистым и видно, что ничего такого, что привлекало бы птиц, там не было. На другой день я опять обратила внимание на птиц, сидящих на поверхности замерзшей речки. Присмотревшись, я поняла, что это вороны. Чем объяснить такое непонятное поведение птиц?  Что им на льду надо?

   Поэтому я решила провести исследование «Что делают вороны на льду?» и разобраться в этом вопросе.

Актуальность работы состоит в том, что проблема охраны окружающей среды в современном обществе стоит очень остро.

Объект исследования: тепловые явления в окружающей среде.

Предмет исследования: вода в фазовых переходах.

Цель работы: Выявить, что привлекает птиц  на поверхность замерзших водоемов в сильные морозы.

 Задачи: 1) Изучить теоретический материал по данной теме

2) Провести исследования:

а) рассчитать, сколько тепла выделяется при образовании льда.

б) сколько тепла получает вода?

в) сколько тепла забирает лед?

2) Узнать больше о жизни зимующих птиц.

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

Гипотеза исследования:

1.                  Допустим, что птицы на льду греются.

2.                  Выяснить, почему температура воздуха над ледяной  поверхностью водоемов выше температуры воздуха в других местах.

Методы исследования: изучение литературы, проведение опытов и  расчетов, анализ полученных данных.

I.                  Введение.

…Пора узнать, что в мирозданьи,

Куда не обратись, - вопрос, а не ответ.

А.А. Фет

       Изучая данный вопрос в энциклопедической, научно-популярной литературе, в  Интернет-сети,  я выяснила, что многие обращали внимание на то, что зимой часто можно увидеть ворон сидящими на льду, но все почему-то связывают это с добычей пищи. Что ворона – умная птица, это многим известно. Ученые, изучающие интеллект вороны утверждают, что эти птицы умнее четырехлетнего ребенка и намного умнее многих животных. Орнитологи считают ворону уникальным объектом для наблюдений и животным, чей интеллект сопоставим с интеллектом человека. Поэтому не мудрено, что в борьбе за существование птицы научились использовать в своих интересах законы физики. Речь идет не о том очевидном обстоятельстве, что при формировании птичьего крыла природа опиралась на законы аэродинамики. Гораздо более интересно и неожиданно то, что птицы знают о законах физики намного больше, чем это можно было бы предположить заранее. В частности они имеют некоторое представление о том, что происходит при фазовых переходах (т. е. при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое), и активно эти знания используют. Известно, что для того, чтобы превратить в воду 1 г льда, находящегося при 0°С, необходимо затратить около 80 калорий теплоты. Эта теплота называется удельной теплотой плавления и расходуется на разрушение кристаллической структуры льда. А что будет происходить при обратном процессе? Нетрудно сообразить, что при восстановлении кристаллической структуры то тепло, которое  потребовалось ранее для ее разрушения, выделится обратно. Таким образом, при замерзании 1 г воды в  окружающую среду выделятся те же 80 калорий, которые необходимы для плавления 1 г льда. Много это или мало – 80 калорий?                                                                  Для нагревания 1 г воды на 1°С нужна 1 калория теплоты, поэтому если все тепло, которое выделяется при замерзании 1 г воды, сообщить другому грамму, то его температура возрастет на 80°С. Разумеется такого повышения температуры воды вблизи тающего льда никогда не произойдет хотя бы потому, в замкнутой системе тепло никогда не передается от холодного тела к горячему. Тем не менее, эта цифра  дает некоторое представление о качественной стороне дела, и становится ясно, что же делают там птицы. Они греются!                                                                                                                       Для того чтобы лучше понять птиц, стремящихся согреться на льду, попытаемся хотя бы приблизительно оценить температурный эффект, к которому приводит выделение тепла при замерзании воды.

II. Основная часть.

Я решила разбить решение этой задачи на несколько этапов:

·                       Сначала я решила найти количество теплоты, которое выделяется при замерзании льда.

·                       Затем рассмотрим вопрос о том, как распределится  эта теплота между участвующими в процессе средами - сколько получает вода, сколько забирает лед и сколько достается воздуху.

·                       Зная количество теплоты, которое получает воздух, можно будет оценить интересующий нас температурный эффект.

1.                 Сколько тепла выделяется при образовании льда?

Я провела такой опыт:

Взяла  большую прямоугольную емкость, наполнила ее водой и оставила на улице. Через 3 дня,  пробурив отверстие в толще образовавшегося  льда, я измерила линейкой его толщину. Получила такие результаты:

Толщина льда h=10 см =0,1 м;

Измерила стороны емкости   и нашла площадь  поверхности льда S=0,8 м · 1 м = 0,8 м²

Рассчитала объем льда V=Sh, V=0,8 м²  · 0,1 м =0,08 м³

Нашла массу льда:  m=ρV , где плотность льда ρ=920 кг/м³

m=920 кг/м³ · 0,08 м³ = 73,6 кг

Нашла количество теплоты, которое выделилось при замерзании льда

Q=λm, где удельная теплота плавления льда λ=3,34 · 10³ Дж/кг

Q=3,34·10³ Дж/кг  · 73,6 кг = 245 824 Дж

Казалось бы, я получила, что выделяется некоторое  количество теплоты при замерзании льда.  Но, хотя я стояла у емкости с водой, мне теплее не стало. В чем же дело? Я задала вопрос  учителю физики, и он обратил мое внимание на то, что количество теплоты, которое выделяется при замерзании данного количества льда не очень большое. Для сравнения такое количество тепла выделяется при сгорании  березовых дров массой 7 грамм.

Можно предположить, что на поверхности естественного водоема толща льда имеет намного  большую массу. И, кроме того, есть другие факторы, влияющие на количество теплоты, которое выделяется при замерзании льда.

Так как, проведенный мной эксперимент не дал мне точного ответа, я опять обратилась к теоретическим исследованиям, стала искать, что думают по этому поводу ученые.

Количество выделяемой теплоты зависит от скорости роста толщины льда. Нахождение данной величины является трудной проблемой. Но я нашла ответ! А он оказался очень простым. Если считать, что температура воздуха на поверхности льда постоянна и отрицательна, а температура воды подо льдом 0°С по всему ее объему, то зависимость толщины льда от времени имеет h= α√t, где α – параметр, зависящий от температуры воздуха на поверхности льда, но не зависящий от толщины и времени:

Q= λρSΔtα²/2h

2.                 Сколько тепла получает вода?

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

Учитель предложил мне провести опыт.

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

Я могу сделать вывод, что все тепло, выделяющееся при замерзании воды, делят между собой лед и воздух, а вода не получает ничего. Я думаю, что птиц такой результат очень бы обрадовал.

3. Сколько тепла забирает лед?

Теперь осталось выяснить, какую часть выделившегося количества теплоты Q лед забирает себе, а какую передает воздуху.

Я получила неожиданный результат: лед отдает воздуху больше тепла, чем получает сам.

Вот как я рассуждала:

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

Оказывается, что птицам совершенно не важно какое количество теплоты выделяется, они эту величину не воспринимают. Птицы чувствуют температуру, для них важно, на сколько  градусов воздух на поверхности льда теплее воздуха в других местах.

Вывод:

В результате проведенного исследования я пришла к выводу, что в мороз на льду действительно теплее, чем в лесу на дереве, и птицы это прекрасно чувствуют.

Заключение.

Зима и весна – тяжелое время для птиц. Холодно, для жизни нужно много энергии, а корм недоступен под снегом и льдом. Птицам очень нужна помощь людей! К тому же, покормить птиц – несложный и приятный способ проявить человечность и стать добрее. Для этого надо смастерить кормушку и следить за тем, чтобы в ней каждый день был корм. Нельзя забывать об огромной работе, которую выполняют пернатые, избавляя деревья и кустарники от множества опасных вредителей. Список врагов, с которыми ведут борьбу птицы, просто огромен: плодожорки, шелкопряды, пяденицы, листовертки, моль, майские жуки, клопы. А если говорить о количестве поедаемых вредителей, например, синицами, посчитайте сами. Обычно синичка производит на свет от 6 до 12 птенцов, причем, делает это дважды за лето. Выкармливает потомство 18 дней, успевая слетать за кормом не менее 10 000 раз. И это только одна птичка! А ведь их целые стаи живут рядом с нами, защищая наши сады-огороды не только летом, но и зимой.            Кормушка – вещица нехитрая. Под нее иногда приспосабливают даже обыкновенный пакетик из-под молока. Такая тоже сгодится.
Кормушку не принято вывешивать под музыку. Деяние это во многом личное, схожее с исповедью. Оно столь же необходимо птицам, сколь и нам самим, ибо приносит очищение совести и благотворение души поступком.    Я думаю, все мы хорошо понимаем, охрана нашей природы – это наша забота, забота нашего поколения. И от нас сейчас многое зависит: будут ли через 10-20-100 лет на нашей планете леса, сады и реки. Будут ли птицы подниматься высоко в небо, чтобы спеть свои весёлые, звонкие песни.

V.   Как устранить выявленные проблемы?

Я считаю, что необходимо:

1. Обратить внимание учащихся на бережное отношение к окружающей нас природе.

2. Рекомендовать своим одноклассникам изготовить кормушки для подкармливания птиц зимой и скворечники для перелетных птиц.

3. Подготовить  и провести для учащихся беседу «Что делают вороны на льду?»

VI. Работая над темой, я познакомилась со следующей литературой:

1. С.С. Хилькевич «Физика вокруг нас», М.:«Наука», 1985.                           

2.  Перышкин  А.В, Физика 7 Кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2010.                                                                                                        

3. Енохович А.С., Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990.

4. Перельман Я.И.. Занимательная физика. В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. А.В. Митрофанова. – М.: Наука, 1986. – 272 с., ил.   

5. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.

6. Интернет-ресурсы:

http://all-pages.com/img/repphotos2/repphoto_3653_7829.jpg

http://www.floranimal.ru/gallery/big/1351.jpg

http://img-fotki.yandex.ru/get/39/ankudrya.2/0_169cb_a2a267e5_XL

http://kemclub.ru/best/3440680.jpg

http://img-fotki.yandex.ru/get/3111/astra-alaya.27/0_1caa0_4a14dd22_XL

http://forum.materinstvo.ru/uploads/1206285201/post-38074-1206357220_thumb.jpg

http://pics.photographer.ru/nonstop/pics/pictures/153/153947.jpg

http://www.rukodelie.com.ua/images/b/4261.jpg

http://as.baikal.tv/news/nimg/2005_01_26/big/R%20-%20Kormushki1701.jpg

http://club-edu.tambov.ru/vjpusk/vjp101/rabot/22/images/kopm_2.jpg

http://www.darwin.museum.ru/expos/floor2/Img/drozdb.jpg

http://gorod.dp.ua/photo/userfoto/2007/11/12/795.jpg