130525
столько раз учителя, ученики и родители
посетили сайт «Инфоурок»
за прошедшие 24 часа
+Добавить материал
и получить бесплатное
свидетельство о публикации
в СМИ №ФС77-60625 от 20.01.2015
Дистанционные курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации для педагогов

Дистанционные курсы для педагогов - курсы профессиональной переподготовки от 5 480 руб.;
- курсы повышения квалификации от 1 400 руб.
Московские документы для аттестации

ВЫБРАТЬ КУРС СО СКИДКОЙ 60%

ВНИМАНИЕ: Скидка действует ТОЛЬКО до 28 февраля!

(Лицензия на осуществление образовательной деятельности №038767 выдана ООО "Столичный учебный центр", г.Москва)

Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Исследовательская работа по физике и экологии "Солевой маятник Мартина"

Исследовательская работа по физике и экологии "Солевой маятник Мартина"


Напоминаем, что в соответствии с профстандартом педагога (утверждён Приказом Минтруда России), если у Вас нет соответствующего преподаваемому предмету образования, то Вам необходимо пройти профессиональную переподготовку по профилю педагогической деятельности. Сделать это Вы можете дистанционно на сайте проекта "Инфоурок" и получить диплом с присвоением квалификации уже через 2 месяца!

Только сейчас действует СКИДКА 50% для всех педагогов на все 184 курса профессиональной переподготовки! Доступна рассрочка с первым взносом всего 10%, при этом цена курса не увеличивается из-за использования рассрочки!

ВЫБРАТЬ КУРС И ПОДАТЬ ЗАЯВКУ
библиотека
материалов
Скачать материал целиком можно бесплатно по ссылке внизу страницы.




Введение

В природе вертикальное перемешивание океанских вод, вызываемое различием плотностей, имеет громадное значение для жизни всего океана. Благодаря ему солнечное тепло, поглащаемое тонким слоем воды, распространяется в глубину. Благодаря вертикальному перемешиванию природные воды получают кислород, а поверхностные обогащаются питательными веществами, поднимаемыми с глубины. Конвективное (плотностное) перемешивание играет роль огромной ложки, которой хозяйка – природа помешивает в океанской кастрюле.

В феврале 1970 года недалеко от острова Мартиника в Карибском море трое американских учёных – Г. Стоммел, Л. Хоуард и Д.Нергард – с завидным упорством пытались загнать под воду километровую пластмассовую трубу вроде той, что употребляют садоводы для поливки цветов и деревьев. Гибкая труба запутывалась и ломалась, доставляя немало хлопот учёным, но они всё же добились своего: в конце концов она «повисла» вертикально – от поверхности воды до глубины 1000 метров. Ученые, изучив распределение плотности воды в зависимости от ее солености и температуры в различных районах Мирового океана на различной глубине, пришли к выводу, что если, например, в Саргассовом море опустить вертикально медную трубу длиной 1000 метров и внутренним диаметром 2 см так, чтобы конец торчал над водой не слишком высоко, то можно будет наблюдать «вечный солевой фонтан».

«Вечный фонтан» не самое интересное из того, что происходит при смешивании жидкостей с различными плотностями. Существует простое устройство, позволяющее получать «двухсторонний» фонтан, т.е. фонтан, периодически бьющий то вверх, то вниз. Этот процесс может продолжаться длительное время без потребления энергии извне. Таким образом, получается некая колебательная система, которую назвали «солевым осциллятором Мартина» по имени учёного, впервые обнаружившего этот эффект в 1970 году.

Цель исследования: исследовать принцип действия «Солевого осциллятора Мартина».

Задачи:

  1. Создать модель солевого осциллятора Мартина.

  2. Определить период колебаний солевого осциллятора Мартина.

  3. Установить зависимость периода колебаний от температуры воды, диаметра отверстия.

1. Постановка задачи

Солевой осциллятор, - пишет Д. Уокер, - это пример системы, которая начинает колебаться после самовозбуждения благодаря нестабильности на разделе слоя более плотной жидкости, лежащей над менее плотной, когда поверхность раздела находится в гидростатическом равновесии.

Дж. Уокер в «Физическом фейерверке» описывает данное устройство следующим образом:

задача № 4.18 «Соляной маятник»:

«Обыкновенную консервную банку наполните насыщенным раствором соли (для наглядности его подкрасьте), проделайте в донышке

Рhello_html_m146176fa.gifисунок 1 Модель «Солевого осциллятора Мартина»

банки отверстие и частично погрузите её в сосуд с пресной водой (рис.1). Смешаются ли эти две жидкости? Да, и при том весьма удивительным образом: сначала из отверстия вытечет немного солёной воды, затем в него войдёт немного пресной воды, и т.д. Такие колебания – их период составляет около 4 с – могут продолжаться до четырёх дней. Почему возникает такой колебательный обмен жидкостями и чем определяется его период?»

Для изготовления модели, подобной описанной, нам потребовались стеклянная колба, пластмассовый стаканчик из–под фотоплёнки. Донышко стаканчика мы проткнули нагретой иглой, чтобы края отверстия были гладкими (так лучше работает маятник). В колбу, почти до края, налили холодной воды. Приготовили солёный раствор (105 г соли на пол-литра воды), подкрасили его перманганатом калия. Закрепили стаканчик в картонной держалке, вырезав в ней отверстие по диаметру стаканчика. Затем опустили стаканчик в колбу, налив в него раствор соли. Из стаканчика стала то выходить, то исчезать продолговатая, тёмно – красная с маленьким перевёрнутым зонтиком струйка. Тем временем, когда струйка исчезала, от дна стаканчика, точнее, от отверстия, пресная, т.е. более лёгкая, вода поднималась вверх сквозь толщу рассола. Если бы пресная вода была подкрашена, то можно было бы наблюдать фонтан и в стаканчике с рассолом.

Мы убедились, что процесс колебаний действительно происходит, причём основным условием его возникновения является достаточно малая разность ∆h уровней поверхности солёной и пресной жидкостей (вопреки бытующему мнению уровень воды в стаканчике должен быть чуть ниже, чем в колбе, а не выше) (рис.2).

hello_html_46926463.gif











Рисунок 2 – Определение разности уровней соленой и пресной вод

Если уровень раствора в стаканчике значительно ниже уровня пресной воды, то пресная вода заполняет стаканчик до того уровня, при котором маятник начинает “работать”. Если же уровень раствора превышает уровень пресной воды, то солёная вода вытекает до тех пор, пока маятник, опять же, не станет “работать”. В некотором смысле эту систему можно назвать саморегулирующейся, т.к. при любых начальных положениях сосуда с солёной водой относительно пресной происходит выравнивание уровней жидкостей таким образом, чтобы начался процесс “колебаний”.

Таким образом, “колебания” возникают лишь в определённых условиях и являются следствием достаточно тонких процессов, заметных лишь при отсутствии или скомпенсированности других влияний.

1.2. Физическая интерпретация

«Солевого осциллятора Мартина»

Объясним данное явление с точки зрения физики.

Для простоты рассуждений будем полагать hello_html_77e7706e.gif, т.е. уровни жидкостей совпадают, hello_html_cc1127f.gif - расстояние от поверхности до отверстия в сосуде с соленой водой. (Здесь и далее переменные с индексом 1 относятся к параметрам менее плотной жидкости, а с индексом 2 – более плотной, соленой жидкости). В начальный момент времени система находится в состоянии неустойчивого равновесия. Затем, под действием случайных возмущений более плотная жидкость начнет двигаться вниз под действием силы (рис. 3):

hello_html_m1f0af73d.gif.

hello_html_4e6b260a.png

Рисунок 3 – Расстановка сил

Рассматривая струю жидкости как некую трубку, в которой с ускорением движется соленая вода, для момента времени hello_html_25ca66e5.gif получим, что давление внутри струи уменьшается:

hello_html_mdbef395.gif;

где hello_html_397c1811.gif – скорость воды у отверстия в момент времени hello_html_25ca66e5.gif. Условие отрыва

струи у устья принимает вид: hello_html_1026ac63.gif;

hello_html_m149a0473.gif,

откуда

hello_html_m7d282fe5.gif.

Из формулы видно, что критической скоростью, при которой произойдет «переключение» соляного маятника (вода перестанет двигаться вниз) будет hello_html_117466e9.gif.

Если исключить из рассмотрения силу трения, то можно довольно легко получить и время, за которое будет достигнута скорость hello_html_457a2b04.gif.

hello_html_6f89933c.gif, где hello_html_m1b530371.gif;

hello_html_640f786a.gif.

Переходя к hello_html_457a2b04.gif получим:

hello_html_m76064ce8.gif;

hello_html_m8fe8a50.gif.

Здесь hello_html_m2d23106e.gifдлительность первой части колебания (вода движется вниз). Рассуждая аналогичным образом, можно получить выражение для hello_html_m1a01151.gif(движение воды вверх). Вторая часть колебания возникает тогда, когда пресная вода, остановив движение соленой вниз, сама по инерции проходит через отверстие в сосуд с соленой водой. Возникающая при этом подъемная сила выталкивает столб пресной воды к поверхности, освобождая место для новой порции пресной воды. Аналогично можно получить выражение, описывающее длительность второй части колебания (вода движется вверх):

hello_html_7bedd904.gif.

Сумма полученных выражений для hello_html_27f118.gif и hello_html_3d1031e.gif и даст нам период колебаний «солевого осциллятора»:

hello_html_334b69da.gif

Как видим, период зависит от отношений плотностей жидкостей и от расстояния между поверхностью жидкости и отверстием в сосуде.

Так как при расчетах не учитывалась сила трения, то естественным будет предполагать, что полученные оценки для периода колебаний будут меньше реального значения периода. Проведенный эксперимент подтвердил это предположение.

Таблица 1 – Результаты эксперимента по определению периода

п/п

h, м

ρ1, hello_html_3e68a2e1.gif

ρ2, hello_html_3e68a2e1.gif

T1, с

Tэкс, с

1

0,025

1000

1200

0,6

3,5

2

0,025

1000

1100

0,9

5,8

Как видим, расхождение теоретических и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что предложенная модель описывает процесс лишь качественно верно. Количественное же описание предложенной модели не входило в задачи нашего исследования, но в перспективе оно предполагается.

1.3. Проверка зависимости периода колебаний

от температуры воды

Ещё в 1970 году Мартин предложил, что период колебаний осциллятора зависит в основном от размера отверстия и температуры пресной воды. Каким же образом период колебаний осциллятора зависит от температуры пресной воды? Для проверки зависимости мы использовали спиртовой термометр и пресную воду различной температуры. При одной и той же температуре рассола (297К), при изменении температуры пресной воды, период колебаний изменялся следующим образом: при увеличении температуры на 10 0С, начиная с 286 К, период колебаний сначала увеличился примерно на 1 с, а потом уменьшился примерно на 2 с, при дальнейшем увеличении температуры период снова увеличился на 2 с. Интересным моментом является то, что при дальнейшем увеличении температуры (hello_html_m3132e3c.gif51-55 0С) никак “заставить работать” маятник не удаётся, он “работает” лишь в одну сторону – вытекает (см. таблицу 2).

Если период колебаний осциллятора зависит от температуры пресной воды, то будет ли он зависеть от температуры рассола? Оказывается, что тоже зависит. При одной и той же температуре пресной воды (286 К) при увеличении температуры рассола период уменьшается следующим образом: при температуре 293 К период составил примерно 10,55 с, при температуре 303 К период составил 8,58 с. При дальнейшем увеличении температуры в стаканчике маятник опять же не получается “заставить работать”. При высокой температуре рассола вода в бутылке для него играет роль холодильника. Она охлаждает рассол до той температуры, при которой маятник начинает “работать”.

Также период зависит и от диаметра отверстия в стаканчике. При диаметре около 1,5 мм период составлял около 4 с, а при диаметре 0,5 мм – около 9 с.

1.4. Расчет погрешностей полученных измерений

Таблица 2 – Зависимость периода колебаний осциллятора от температуры пресной воды

hello_html_67876b62.gifТ, К

286

293

301

308

313

1

9,3

10,0

7,9

7,7

9,1

2

9,6

10,0

7,9

7,6

9,9

3

9,5

10,1

8,1

7,9

9,8

4

9,8

9,9

7,9

7,5

9,9

5

10,0

10,1

8,8

7,6

9,4

ср. зн.

9,64

10,02

8,12

7,66

9,62

Оценим погрешность измерения периода колебаний осциллятора. Для удобства результаты расчетов будем сводить в таблицу 3.

Таблица 3 – Оценка погрешности измерения периода колебаний осциллятора

п/п

ti

hello_html_2915fac8.gif

hello_html_m6415f3ef.gif

hello_html_6ad71af4.gif

hello_html_61ca8f2d.gif

hello_html_517ca570.gif

1

9,64

-0,628

0,394

0,469

1,3132

9,012hello_html_m78531b32.gif1,41

2

10,02

-1,008

1,016

3

8,12

0,892

0,796

4

7,66

1,352

1,828

5

9,62

-0,608

0,370

ср. зн.

9,012


0,880

Среднеквадратичную погрешность среднего арифметического определим по формуле:

hello_html_m56909476.gif.

Найдем полуширину доверительного интервала (абсолютную погрешность результата измерений) по формуле:

hello_html_m4ba4649e.gif, где hello_html_3fc9338a.gif, hello_html_3d2d876c.gif - коэффициент Стьюдента. Так, при n = 5 измерений и hello_html_2e28ff68.gif = 0,95, hello_html_m32925073.gif = 2,8. hello_html_m199ac4d5.gif - системная погрешность, которая в простейших случаях может быть принята за половину цены деления младшего разряда шкалы.

Оценим относительную погрешность результата измерений:

hello_html_702dd570.gif.

Запишем окончательный результат измерений в виде:


hello_html_66e690f7.gif, hello_html_m20941de0.gif = 15,6 %.


Построим зависимость периода колебаний от температуры пресной воды.


hello_html_79212ff0.gif

Рисунок 4 – Зависимость периода колебаний от температуры пресной воды

Зhello_html_m2a7690f7.gifаключение

В работе мы исследовали принцип действия «Солевого осциллятора Мартина». Создали модель на основании описания, которая позволяет увидеть принцип действия солевого осциллятора Мартина.

Проведен эксперимент, в результате которого установлено, что период колебаний зависит от диаметра отверстия в стаканчике, а также от температуры пресной воды и рассола. Основным условием возникновения колебательного процесса является достаточно малая разность ∆h уровней поверхности солёной и пресной жидкостей (вопреки бытующему мнению уровень воды в стаканчике должен быть чуть ниже, чем в бутылке, а не выше).

В работе предложена формула для расчета периода колебаний солевого осциллятора Мартина:

hello_html_334b69da.gif, где

hello_html_m4563754b.gif

hello_html_7bedd904.gif

Установлено, что период колебаний солевого осциллятора Мартина зависит от отношений плотностей жидкостей и от расстояния между поверхностью жидкости и отверстием в сосуде.

В работе построен график зависимости периода колебаний от температуры пресной воды, оценена погрешность полученных результатов.

Литература

  1. Уокер, Дж. Физический фейерверк / Дж. Уокер. – Москва: Мир, 1989. – 298 с.

  2. Лаговский, В. “Большая ложка” природы / В. Лаговский // Наука и жизнь. – 1978. – №4. – с. 83-87.

  3. Кабардин, О.Ф. Физика: Справ. материалы. Учеб. пособие для учащихся / О.Ф. Кабардин. – Москва: Просвещение, 1985. – 359 с.

  4. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – Москва: Издательский центр «Академия», 2004. – 560 с.


















Общая информация

Номер материала: ДВ-205626



Очень низкие цены на курсы переподготовки от Московского учебного центра для педагогов

Специально для учителей, воспитателей и других работников системы образования действуют 60% скидки (только до конца зимы) при обучении на курсах профессиональной переподготовки (124 курса на выбор).

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца с присвоением квалификации (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: KURSY.ORG

Только до конца зимы! Скидка 60% для педагогов на ДИПЛОМЫ от Столичного учебного центра!

Курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации от 1 400 руб.
Для выбора курса воспользуйтесь удобным поиском на сайте KURSY.ORG


Вы получите официальный Диплом или Удостоверение установленного образца в соответствии с требованиями государства (образовательная Лицензия № 038767 выдана ООО "Столичный учебный центр" Департаментом образования города МОСКВЫ).

Московские документы для аттестации: KURSY.ORG


Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Информационные технологии в деятельности учителя физики»
Курс профессиональной переподготовки «Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс «Логистика»
Курс повышения квалификации «Основы построения коммуникаций в организации»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности экономиста-аналитика производственно-хозяйственной деятельности организации»
Курс повышения квалификации «Управление финансами: как уйти от банкротства»
Курс повышения квалификации «ЕГЭ по физике: методика решения задач»
Курс профессиональной переподготовки «Управление ресурсами информационных технологий»
Курс профессиональной переподготовки «Разработка эффективной стратегии развития современного вуза»
Курс повышения квалификации «Мировая экономика и международные экономические отношения»
Курс профессиональной переподготовки «Деятельность по хранению музейных предметов и музейных коллекций в музеях всех видов»
Курс профессиональной переподготовки «Уголовно-правовые дисциплины: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс профессиональной переподготовки «Техническая диагностика и контроль технического состояния автотранспортных средств»
Курс профессиональной переподготовки «Осуществление и координация продаж»
Курс профессиональной переподготовки «Технический контроль и техническая подготовка сварочного процесса»

Благодарность за вклад в развитие крупнейшей онлайн-библиотеки методических разработок для учителей

Опубликуйте минимум 3 материала, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную благодарность

Сертификат о создании сайта

Добавьте минимум пять материалов, чтобы получить сертификат о создании сайта

Грамота за использование ИКТ в работе педагога

Опубликуйте минимум 10 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Свидетельство о представлении обобщённого педагогического опыта на Всероссийском уровне

Опубликуйте минимум 15 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данное cвидетельство

Грамота за высокий профессионализм, проявленный в процессе создания и развития собственного учительского сайта в рамках проекта "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 20 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Грамота за активное участие в работе над повышением качества образования совместно с проектом "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 25 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную грамоту

Почётная грамота за научно-просветительскую и образовательную деятельность в рамках проекта "Инфоурок"

Опубликуйте минимум 40 материалов, чтобы БЕСПЛАТНО получить и скачать данную почётную грамоту

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.