Проект по физике "Отражение времени в гранях кристалла"

• 1 слайд

   
  Когда наскучит суета, дела, людские лица, 
  Я знаю выход - я могу в кристалле раствориться.
  В его прозрачной глубине  - незыблемая вечность 
  В нём есть и радость, и покой, и мира бесконечность.
  © Виктор Слётов 
  

• 2 слайд

  Над проектом работали ученики 10 класса:
  Романюк Дарья
  Рожина Галина Киреев Юрий
  Руководитель учитель физики
  Бодарева С. А.
  « Отражение времени
  в гранях кристалла»
  

• 3 слайд

  Проблемный вопрос:
  
  За какое время можно вырастить кристалл в домашних условиях и каково применение кристаллов в современном мире?
  

• 4 слайд

  Цели:
  Изучить понятие, свойства и практическое применение кристаллов
  
  Вырастить кристаллы различных веществ в домашних условиях
  
  Сравнить их размер, форму и время роста
  
  

• 5 слайд

  Задачи
  Изучить теоретический материал по кристаллам
  
  Найти в различных источниках информации данные о практическом применении кристаллов
  
  Вырастить кристаллы различных веществ в домашних условиях
  
  Провести сравнительную характеристику. Сделать вывод
  

• 6 слайд

  Кристалл горного хрусталя
  Кристаллы снега
  

• 7 слайд

• 8 слайд

  Пещера гигантских кристаллов
  

• 9 слайд

  При температуре около 150 ºС алмаз превращается в графит.
  Что бы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 ºС под давлением 1010 Па.
  Полиморфизм кристаллов - способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями.
  Графит – мягкий материал матово-черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели карандашей.
  Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый кристалл.
  Углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз.
  

• 10 слайд

  Анизотропия ―различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды
  Кристалл поваренной соли
  

• 11 слайд

  Кристаллическая решетка- вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла.
  Наименьший фрагмент решетки, повторением которого можно образовать всю решетку, называется элементарной ячейкой решетки. Длина ребра элементарной ячейки называется периодом кристаллической решетки.
  
  Элементарная ячейка
  Узел
  

• 12 слайд

  Применение кристаллов
  Драгоценные украшения
  

• 13 слайд

  Алмаз
  Гранат
  Изумруд
  Рубин
  Сапфир
  

• 14 слайд

  В природе очень много кварца. Это основной элемент песка. Изучение свойств кристалла кварца, позволяет нам очень точно объяснить, как измерить время с помощью простых кварцевых часов.
  Кварцевые часы
  Кварцевые часы идеально точны, поскольку используют пьезоэлектрические свойства, идеально вырезанного в форме камертона, кварцевого кристалла. Пьезоэлектрические материалы вибрируют под электрическим током. Так, что, когда ток от батарейки ударяет кварц, он вибрирует в постоянном ритме.
  
  Вибрирует кварц на невероятной скорости
  32 768 раз в секунду!
  

• 15 слайд

  Эксперименты по выращиванию кристаллов в домашних условиях
  

• 16 слайд

  Выращивание затравки
  

• 17 слайд

  Распределение раствора
  

• 18 слайд

• 19 слайд

  Результат первого эксперимента
  

• 20 слайд

  Результат второго эксперимента
  

• 21 слайд

  Третий эксперимент
  

• 22 слайд

• 23 слайд

  Вывод
  Изучили свойства и строение кристаллов
  Узнали о применении кристаллов в современном мире
  Вырастили кристаллы в домашних условиях за достаточно короткое время
  

• 24 слайд

  Спасибо за внимание!
  

МБОУ «СОШ п. Свободный Базарно-Карабулакского

муниципального района Саратовской области»

412616, Саратовская область,

Базарно-Карабулакский район,

п. Свободный, ул. Советская, д.49

8(84591)65264

Исследовательская работа по физике

Выполнила ученица 10 класса МБОУ «СОШ п. Свободный» Романюк Дарья

Руководитель: учитель физики Бодарева Светлана Александровна

2015 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………….3

Необыкновенный мир кристаллов………………………………………..4

1.   Кристаллические тела…………………………………………………….4

- Кристалл……………………………………………………………………...4

- Форма и размер кристаллов……………………………………………4--5

- Полиморфизм………………………………………………………………..6

- Анизотропия и изотропия кристаллов…………………………………..6

 - Кристаллическая решетка………………………………………………..7

2. Применение кристаллов………………………………………………….8

3. Эксперименты по выращиванию

кристаллов в домашних условиях…………………………………………9

4. Вывод и заключение…………………………………………………..11,12

5. Список литературы………………………………………………………13

6. Приложение…………………………………………………………....14-24

Введение

Когда наскучит суета, дела, людские лица,

Я знаю выход -  я могу в кристалле раствориться.

В его прозрачной глубине - незыблемая вечность.

В нем есть и радость, и покой, и мира бесконечность.

Виктор Слетов

Кристалл… Как много в этом слове хрупкого, хрустального, холодного, необыкновенно красивого и… загадочного. Я слышала о кристаллах в детстве из программ телепередач, рассматривала картинки с изображениями волшебных многогранников различной формы. И мне всегда хотелось окунуться в мир прекрасной науки изучения свойств и строения этих тел, а также ответить на волнующий многих людей вопрос: как можно вырастить кристалл в домашних условиях? Но наука не постигается в одночасье. И все, что так волнует нас, мы должны исследовать, затратив время. Так и для роста кристаллов необходим труд, терпение и месяцы ожидания…

Я считаю, что выбранная мною тема для исследования очень актуальна в современной жизни. Благодаря чудесным свойствам, кристаллы используются в технике,  науке,  медицине,  архитектуре. Обработанные кристаллы используют для создания ювелирных изделий, которые так привлекают внимание своей красотой. Свою работу я решила назвать «Отражение времени в гранях кристалла». Проблемный вопрос, который я перед собой поставила, звучит так: «За какое время можно вырастить кристалл в домашних условиях и каково применение кристаллов в современном мире?»

Цель моей исследовательской работы: изучить понятие, свойства и практическое применение кристаллов. Вырастить кристаллы различных веществ в домашних условиях и сравнить их размер, форму и время роста. Исходя из целей, я поставила перед собой следующие задачи:

•       Изучить  теоретический материал по кристаллам.

•       Найти в различных источниках информации данные о практическом применении кристаллов.

•       Вырастить кристаллы различных веществ в домашних условиях. Провести сравнительную характеристику.

Необыкновенный мир кристаллов

Кристаллические тела

Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса, нафталина, то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии. Что же такое кристалл?

Кристаллом называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями. Кристалл в переводе с греческого  κρύσταλλος первоначально означает лед, в дальнейшем горный хрусталь.

Кристаллы снега                                                   Кристалл горного хрусталя

Тела, представляющие собой один кристалл, называется монокристаллами. Кристаллические тела, состоящие из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов, называют поликристаллическими. Крупинка сахара является примером монокристалла, а кусок сахара, состоящий из таких крупинок – примером поликристаллического тела. Кристаллы различных веществ имеют разнообразные формы. Это представлено на рисунке.

                                        

Каменная соль          Изумруд             Гранат               Турмалин           Алмаз

Один из видов кристаллов льда, образующих причудливую форму снежинок, представляет собой правильную шестиугольную призму. Во время очень сильных морозов (при температуре ниже −30 °C) ледяные кристаллики выпадают в виде «алмазной пыли» — в этом случае на поверхности земли образуется слой очень пушистого снега, состоящего из тоненьких ледяных иголочек. Обычно же в процессе своего движения внутри ледяного облака ледяные кристаллики растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу. Как именно происходит этот рост, зависит от внешних условий, в частности от температуры и влажности воздуха. На снимке изображена снежинка под микроскопом с 50000-кратным увеличением.

Размеры кристаллов тоже разнообразны. Одни из них крупны и легко различимы невооруженным глазом, другие же настолько малы, что могут быть рассмотрены в микроскоп. Но с течением времени размеры кристаллов могут меняться. Так, мелкие кристаллы железа и стали переходят в крупные. Этот переход ускоряется при ударах и сотрясениях. Он постоянно происходит в железнодорожных рельсах, вагонных осях, стальных мостах, отчего прочность этих сооружений с течением времени уменьшается. При бурении местной шахты 300-метровой глубины в мексиканском городке Найка штата Чиуауа была найдена Пещера Гигантских Кристаллов. В основной камере пещеры находятся одни из самых больших селенитовых кристаллов, когда-либо найденных на планете (селенит — кристаллическая форма гипса), например, самый большой из найденных кристаллов достигает 11 метров в длину, 4х в диаметре и весит при этом около 55 тонн.

Полиморфи́зм кристаллов (от др. – греч. πολύμορφος «многообразный») - способность вещества существовать в различных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями. У льда известно до десяти различных модификаций, которые получают в лабораториях. В природе же встречается только один вид. Особо важное значение для техники имеет полиморфизм углерода – углерод кристаллизуется в двух модификациях: графит и алмаз. Графит – мягкий материал матово – черного цвета. Из него, например, изготавливают грифели для карандашей. Алмаз совершенно не похож на графит. Это прозрачный и очень твердый алмаз кристалл. При температуре около 150 ºС (при нагревании в вакууме), алмаз превращается в графит. Чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 ºС под давлением 10¹⁰ Па. В настоящее время освоено промышленное производство искусственных алмазов. Искусственные алмазы широко используются в режущих инструментах.

Анизотропи́я (от др.-греч.  ἄνισος —неравный и τρόπος — направление) — различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды. Анизотропия - одно из существенных свойств монокристаллов.  Если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем  в диагональных и других направлениях. Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки. Расслоить его в другом направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Также легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Поликристаллические тела изотропны, т.е. обнаруживают одинаковые свойства по разным направлениям. Это объясняется тем, что кристаллики, из которых состоит поликристаллическое тело, ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.

Кристалли́ческая решётка  — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Правильность внешней формы твердых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых состоят эти тела, расположены друг относительно друга в определенном порядке, на строго определенных расстояниях друг от друга. Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определенных точек – положений равновесия частиц. Именно эти точки (они называются узлами) и расположены в определенном порядке. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Наименьший фрагмент решетки, повторением которого можно образовать всю решетку, называется элементарной ячейкой решетки. Например, элементарной ячейкой пространственной решетки кристалла криптона является куб. Длина ребра элементарной ячейки называется периодом кристаллической решетки. В монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании, говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц (ионов, молекул и т. п.), из которых построен кристалл. Образно это можно себе представить так. Человек, уменьшенный до размеров атома, нашел бы, что путешествие в кристалле весьма однообразно. Перепрыгивая с атома на атом в каком-либо определенном направлении, он совершал бы прыжки одинаковой длины; расположение атомов справа и слева, над ним и под ним оставалось бы одним и тем же. Изменяя направление своего движения, человек быстро установил бы различие воспринимаемых картин. Он обнаружил бы, что расстояние между атомами изменилось, изменилось и их положение. Однако и новая картина повторялась бы до тех пор, пока он вновь  не сменил бы направление перемещения.

Применение кристаллов

Драгоценные украшения

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у

людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище.  С давних пор с кристаллами были связаны суеверия;  как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценности, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Кварцевые часы

В природе очень много кварца. Это основной элемент песка. Изучение свойств кристалла кварца, позволяет нам очень точно объяснить, как измерить время с помощью простых кварцевых часов. Кварцевые часы идеально точны, поскольку используют пьезоэлектрические свойства, идеально вырезанного в форме камертона, кварцевого кристалла. Пьезоэлектрические материалы вибрируют под электрическим током. Так, что, когда ток от батарейки ударяет кварц, он вибрирует в постоянном ритме. Пьезоэлектрические материалы также могут иметь и обратный эффект, когда что-то заставляет их вибрировать, они выпускают собственный электрический заряд. Так что, когда кварц реагирует на ток батарейки, он генерирует собственные постоянные регулярные электрические разряды. Вибрирует кварц на невероятной скорости 32 768 раз в секунду! Электрические импульсы с максимальной точностью управляют механизмом часов. Эти невероятные свойства делают вроде бы простые кварцевые часы не такими простыми.

Эксперименты по выращиванию кристаллов в домашних условиях

Итак, время перейти к практической части исследовательской работы.

Изучив свойства и особенности кристаллов, я решила вырастить кристаллы различных веществ в домашних условиях. Мой опыт по выращиванию кристаллов начался 18 марта. Для проведения работы я купила в магазине 2 пачки CuSО₄(медного купороса). Почему я выбрали именно его? Ведь можно было бы выращивать кристаллы, например, из поваренной соли или из железного купороса. Ответ прост: кристалл, который должен был получиться, имеет очень насыщенный  и завораживающий синий цвет. Сделав насыщенный раствор медного купороса  и бросив туда 3-4 гранулы  вещества, я вырастила «затравку» (затравка - это наросшие на дне поликристаллы). Моя затравка росла в течение суток. Выращивала я ее в обычном стеклянном стакане. Расколов затравку, я выбрала самый красивый,  ровный и крупный кристалл. Подвесив его на обычную нитку и опустив в насыщенный раствор,  я оставила его на   неделю при комнатной температуре. Так как  я люблю делать разные опыты и сравнивать результаты, я распределила  раствор медного купороса в 3 стакана и в качестве приготовления затравки, использовала  поваренную  и морскую соль. А так как я еще и творческий человек, я сделала из медной проволоки и шерстяных ниток каркас (знак воздуха, который используется в алхимии, а так же это знак знаменитой американской группы 30  Secoud to Мars). Итак, выращиваем 3 кристалла:

1 - й кристалл - монокристалл с затравкой из медного купороса,

2 - й кристалл - монокристалл, с затравкой из поваренной соли,

3 - й кристалл – поликристалл на  каркасе с затравкой из морской соли.

К выращиванию кристаллов нужно подходить с большой аккуратностью, ведь

красивые кристаллы получаются при частой фильтрации раствора и при поддержании постоянной комнатной температуры. При проведении данной работы в голове у

меня постоянно крутилась гипотеза, некогда высказанная учеными, о том, что вода имеет память. Я постаралась создать благоприятную обстановку в комнате, для роста моих сокровищ и вся моя семья следила за происходящим процессом, как за большим чудом науки, возникновение которого стало доступным в домашних условиях.

Каждое утро, собираясь в школу, я включала классическую музыку: Моцарта, Баха, Штрауса и  почти каждый день играла на фортепиано. Прошла первая неделя.

Гипотеза  подтвердилась, мои монокристаллы получились красивой формы, с

ровными гранями. Еще я заметила, что в стакане №2, кристалл растет быстрее, чем

остальные, хотя условия были одинаковыми. Для второго опыта я приобрела набор

юного алхимика  для выращивания кристаллов. Принцип приготовления затравки и

роста тот же. Далее я продолжила исследования. А что если включать не классическую музыку, а, например, рок?  4 апреля я поставила 2 контейнера, с насыщенным

раствором  и каждое утро включала песни группы 30 Secound to Mars (это моя любимая группа), и результат не заставил себя  долго ждать.  Через 3 дня стало заметно,

что мои кристаллы растут в виде кольев (как иголки) и каркас в виде звездочки становится похож на ежика. Совпадение? Не думаю. И, наконец, третий опыт заключался в том, чтобы вырастить кристаллы из алюмокалиевых квасцов. Они получились достаточно большими, несмотря на то, что они росли всего 2 суток, хотя наблюдение и уход за ними был не хуже, чем за остальными. (Фотоотчет см. в Приложении)

Анализ результатов приведен в таблице:

Кристалл Параметры	Монокристалл CuSО4  с затравкой медного купороса	Монокристалл CuSО4 с затравкой поваренной соли	Поликристалл на каркасе «Знак воздуха» CuSО4  с затравкой морской соли	Поликристалл из набора юного алхимика на каркасе «Звезда»	Поликристалл из набора юного алхимика на плитке	Поликристалл из алюмокалиевых квасцов
Время роста	840 часов 35 суток	840 часов 35 суток	840 часов 35 суток	408 часов 17 суток	408 часов 17 суток	48 часов 2 суток
Размеры	4×2×1.5	5×3×2	Высота:5 см Ширина:6 см	Высота:3 см Ширина:5 см	5,5×3,5×1	2×2×5
Внешний вид

Вывод

Мы вырастили кристаллы в домашних условиях за достаточно короткое время. Монокристаллы имеют ровные и плоские грани. Кристаллы, которые находились в растворе дольше всех остальных, получились достаточно крупными и аккуратными. На их выращивание пошел качественный медный купорос, купленный в специализированном магазине. Кристаллы более мелких размеров росли не так долго. Поликристаллы из набора юного алхимика имеют игольчатую структуру (по объясненным причинам), но они не менее привлекательны. Меньше всего росли кристаллы из алюмокалиевых квасцов, взятых из школьной химической лаборатории. Их мы выращивали несколько другим способом без использования затравки. Получается, что процесс выращивания кристаллов, которые так манили меня своей красотой, те кристаллы, которые имеют широкое использование в современной технике, можно осуществить в домашних условиях. И так приятно любоваться ими теперь, когда они красуются на моем столе, переливаясь необыкновенными цветами. Когда мне грустно или просто хочется немного пофилософствовать, я всматриваюсь в них и представляю себе прошлое, настоящее и будущее. Бесконечное время, которое замерло в гранях моих творений.

Конечно, кристаллы можно выращивать из различных веществ, соблюдая при этом технику безопасности. Но для любого процесса,  для любого эксперимента, для любого открытия нам необходимо терпение и труд, а на это могут уйти недели, месяцы, годы, а иногда и целая жизнь. Но одно я для себя поняла совершенно ясно, чем больше времени мы уделяем науке, тем выше результаты, которых мы достигаем.

Заключение

 Как все-таки прекрасен мир, в котором мы живем. Сколько загадочного и интересного в нем. Все, что нас окружает, требует изучения и внимания. Мы молодое поколение нашей необъятной планеты. Нам дана целая жизнь для того, чтобы сделать свой вклад в науку, открыть что-то новое, познать необыкновенное, поэтому каждый прожитый день не должен проходить бесследно. Возможно, глубоко в недрах Земли именно нам предстоит найти залежи необходимой для дальнейшего развития технической промышленности породы или далеко в Космосе именно мы обнаружим планеты, пригодные для жизни, а затем будем путешествовать по просторам вселенной, подобно обыкновенному перелету на соседний материк. Что ж, все возможно, ведь когда-то и на кристаллы смотрели просто, как на красивые, переливающиеся на Солнце камни. Могли ли наши предки тогда, всматриваясь в грани кристаллов, увидеть тот огромный промежуток времени, который пройдет до тех пор, пока не будет найдено такое широкое применение этим богатствам природы? Все технические устройства, знания о которых есть у нас сегодня, созданы руками человека, благодаря его терпению, уму и бесконечной жажде открытий. А любое открытие не бывает бесполезным, просто для него должно прийти свое время.

Список литературы

1.     А. Е. Ферсман «Занимательная минералогия», Издательство «Детская литература», издание 4, 1975 год, с. 236

2.     В. А. Чуянов «Энциклопедический словарь юного физика», Издательство «Педагогика», 1984 год, с. 352

3.     wiki.web.ru/wiki/Снежинка

4.     Энциклопедия для детей. Том 17. Химия /Глав.ред. В.А. Володин. М.: Аванта+, 2001.-640 с.

5.     Мякишев Г. Я., Синяков А.З. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл.: Учеб. Для углубленного изучения физика.- 4-е изд., Стереотип. М.: Дрофа, 2001. – 352 с.

6.     http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%F0%E8%F1%F2%E0%EB%EB%FB

7.     http://www.youtube.com/watch?v=6V8PVGmG9vA

Приложение