Исследовательская работа Свойства снега (8 класс)

г

«Удивительные свойства снега и льда»

Автор: Звягин Максим

Научный руководитель: Цайтлер Владимир Владимирович

МБОУ ТСОШ №2, 8«8В» класс

С.Троицкое, 2015

Оглавление

Введение ……………………………………………………………………… 3

Основная часть работы

Глава 1. Физические свойства снега и льда.

Научно-исследовательские подходы………………………………………. 5

1.2 Практическое изучение физических свойств снега и льда… 10

Глава 2. Значение снега и льда в жизни человека и природы…………… 13

2.1 Снег и его роль в жизни человека и природы.

2.2 Роль льда в жизни человека и природы.

Заключение ……………………………………………………………………. 15

Литература…………………………………………………………………….. 16

Введение

Под голубыми небесами,
Великолепными коврами,

Блестя на солнце, снег лежит;
Прозрачный лес один чернеет,
И ель сквозь иней зеленеет,
И речка подо льдом блестит.
А. С. Пушкин.

Много чудес приготовила волшебница - природа. Каждое время года по-своему интересно и красиво. У каждого свои тайны. Но самое волшебное время года - зима.

Зимой идет снег. А снег, это самое главное чудо. С приходом зимы понижается температура, выпадает снег - и унылое черное поле превращается, как по волшебству, в великолепный белый ковер, сверкающий на солнце. Преображаются лесные чащи, в белые одежды наряжаются ели, крыши домов. Вода в водоёмах замёрзает. Лёд сковывает реки, озёра, пруды.

Поистине снег - один из удивительнейших феноменов природы. Так, немецкий астроном Иоганн Кеплер выяснил, что почти все снежинки представляют собой шестиконечные кристаллики. Французский философ Рене Декарт занимался не только философическими рассуждениями, но и наблюдениями в области естественных наук. Так, он опубликовал первые зарисовки снежинок. На его эскизах можно увидеть даже двенадцати- и восемнадцатиконечные кристаллики, которые в природе встречаются очень редко.

Снег и лед изучает одна и та же наука - гляциология, наука о льдах, которая зародилась в конце 18 века в Альпийских горах. Проблема снега и льда интересна не только для астрономов, физиков, но и не менее привлекательна для поэтов С.А. Есенина, А.А Фета и многих других.

Все, все бело! Глаза не различат,
Как тут смешался с цветом сливы снег...
Где снег? Где цвет?
И только аромат
Укажет людям: слива или нет.

С. Г. Островой как-то сказал, что снег завораживает, притягивает к себе, подобно какому-то волшебному магниту. Поэт попытался выразить это в стихотворении, которое он посвятил снегу:

А я все гладил снег рукой,
А он все звездами отсвечивал...
На свете нет тоски такой,
Которой снег бы не излечивал.
Он весь как музыка. Он - весть.
Его безудержность бескрайна.
Ах, этот снег... Не зря в нем есть

Всегда какая-нибудь тайна.

Трудно себе представить леса и равнины без снега, без его очарования. Он, пушистый, искрящийся, дарит нам радость, учит прекрасному с самого детства. Да и сам снег! Что может быть более непостоянным, более изменчивым и таинственным? Вот он есть - и вдруг, он исчезает, тает. Сейчас он белый и пышный, а завтра осел, стал серым, мокрым. Или иначе - вчера он был пушистым и мягким, а теперь стал твердым, плотным. Полежит еще некоторое время - и превратится в лед. Он родился над землей в виде почти невесомых снежинок, но вот прошло какое-то время - и он поплыл по реке льдинами.

Удивительная изменчивость снега мешает подчас осознать и понять, что же такое снег, а что лёд? Поэтому меня особенно заинтересовал вопрос, какими же свойствами они обладают?

Гипотеза: Можно предположить, что снег и лёд- это замёрзшая вода. И узнать их физические свойства.

Цель исследования: Выявить и изучить физические свойства снега и льда путём практических опытов.

Объект исследования: Снег и лёд.

Предмет исследования: Физические свойства снега и льда.

В соответствии с проблемой, предметом и целью исследования были поставлены следующие задачи:

• Изучить и проанализировать научную, художественную литературу по проблеме.

• Познакомиться с физическими свойствами снега и льда.

В ходе решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ научной, художественной литературы, прямые и косвенные наблюдения, проведение опытов, анализ полученных результатов.

Исследование проходило в несколько этапов:

1 этап: прогулка в зимний лес, изучение литературы по проблеме.

2 этап: проведение практических опытов.

3 этап: анализ и обобщение опытно-экспериментальной работы, оформление исследовательской работы.

Глава 1. Физические свойства снега и льда

Научные теоретические подходы к проблеме

Снег - твердые атмосферные осадки, состоящие из ледяных кристаллов разной формы - снежинок, в основном шестиугольных пластинок и шестилучевых звездочек; выпадает из облаков при температуре воздуха ниже 0 °С. Чудеснейшая особенность нашей планеты. Он образуется на всех континентах в огромных количествах. Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров - четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами.

Снег поразительно изменчив. Такие физические свойства, как плотность, теплопроводность, теплоемкость, пористость, влажность, скорость распространения звука и т. д. для снега принципиально не могут длительно сохраняться, быть неизменными. Меняется, трансформируется решительно все, вплоть до структуры, формы и размеров снежинок, их связности. Достаточно сказать, что плотность снега способна изменяться. При дальнейшем увеличении плотности снег превращается в лед, в корне отличающийся по свойствам от своего предшественника - утверждает академик наук А.К. Дюнин.

По плотности лесной снег отличается от снега на равнине. В сибирской тайге, где не бывает зимних оттепелей, средняя плотность метровой толщи снега местами не превышает 0,10 г/см3. В степях и в тундре метели сильно уплотняют снег, там плотность - в 2,4 раза больше. На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу. Такой снег шлифует поверхность почвы, ранит растения. А в Антарктиде выпавший 3-4 -метровый слой снега за несколько дней становится таким плотным, что его с трудом вспарывает тяжелый нож мощного бульдозера.

В снежном покрове постоянно происходят весьма сложные процессы переноса массы и тепла. Особенно интересны процессы испарения и кристаллизации. Проще их описать на примере отдельной снежинки. Как же она образуется?

Первоначально вокруг ядер кристаллизации (мельчайших инородных частичек) возникают зародышевые ледяные кристаллы. Перемещаясь вверх-вниз, они попадают в слой воздуха с переохлажденными капельками воды. Здесь будущая снежинка начинает интенсивно увеличиваться в размерах за счет сублимации (перехода водяного пара, содержащегося в воздухе, в снег). При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Таким образом, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. Множество факторов влияет на образование и рост снежинок, поэтому так велико разнообразие их форм. Если снежинка сталкивается на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, то она упрощается по форме. Если столкнется с крупной каплей, то может превратиться в градинку. При низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков. Иногда, если мороз около 40°C, зарождающиеся в атмосфере кристаллики льда выпадают в виде «алмазной пыли».

Срок жизни свободно парящей снежинки составляет десятки минут. Пусть снежный облачный слой находится на высоте 2 км над поверхностью земли. Средняя скорость падения снежинок равна 1 м/с. Значит, от облака до земли снежинка падает в течение 2000 с, или 33 мин. При низкой температуре, снег успевает упасть на землю и образовать снежный покров. При высокой температуре и большом дефиците влажности воздуха снежинки испарятся, не достигнув земли, и в таком случае "тучи есть, а снега нет". В горах расстояние от облаков до земли значительно меньше, чем на равнинах. Это одна из главных причин того, что в горных районах снега выпадает намного больше, чем в равнинных.

Упадет снежинка на руку - не почувствуешь. Ведь весит она всего около миллиграмма!

Но «пуховое» одеяло снега на поверхности Земли становится похожим на тяжеленные гири, способные повлиять на скорость вращения Земли. В период наименьшей заснеженности Земли снегом бывает покрыто 8,7 процента всей поверхности планеты (7 процентов в южном полушарии и 1,7 процента - в северном), а весит такой покров 7400 миллиардов тонн. К концу зимы в северном полушарии масса сезонного снега достигает 13 500 миллиардов тонн.

Снег подобен громадному зеркалу, отражающему в космос почти 90 процентов лучистой энергии Солнца. Такой высокой отражательной способностью не обладает больше ни одно естественное тело. Снежное покрывало, которое принято считать теплым и, которое спасает от морозов растения и животных, в масштабах всей Земли значительно способствует выхолаживанию планеты: оно надолго изолирует от солнечных лучей обширные территории.

Снег скрипит только в мороз, и тональность его скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха - чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. Есть люди, которые могут оценивать температуру воздуха по воспринимаемым на слух изменениям в характере скрипа снега. Скрип снега - не что иное, как шум от раздавливаемых мельчайших кристалликов снега. В отдельности каждый из них так мал, что, ломаясь, издает звук, недоступный человеческому уху. Но когда суммируются миллиарды таких «голосов», появляется вполне явственный скрип. Акустические измерения показали, что в спектре скрипа снега есть два максимума - в диапазоне 250...400 Гц и 1000...1600 Гц. В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. Если температура воздуха более минус 6°C, высокочастотный максимум исчезает. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются, акустический спектр скрипа смещается в область высоких частот. С изменением температуры от минус 8°C до минус 20°C сила звука скрипа снега возрастает на 1 децибел.

От того, каков снег в лесу - пушистый, глубокий или покрыт настом, - часто зависит жизнь млекопитающих. Удельное давление на снег - вес тела животного, приходящийся на единицу площади его стопы, - вот что определяет «соотношение сил» в заснеженном поле или лесу. Так, у зайцев нагрузка на снег обычно не превышает 30 граммов на кв. см опорной площади конечностей, у лисицы - 40..-. 50г, у волка - около 10 г, у копытных - от 200 до 970г. У хищников значительно меньшая нагрузка на след, чем у их жертв. Поэтому, если снег покрыт настом, копытные глубоко вязнут в снегу, а хищники бегут легко, почти не проваливаясь. Но если снег пушистый и глубокий, тут преимущество у копытных. При глубине снега 50 см волк не может догнать оленя. А при 60 см волк еле пробирается через сугробы. У человека же в зависимости от веса и типа лыж нагрузка на снег изменяется в пределах 10.-..25 г на кв.см. Это означает, что на снегу любой охотник может передвигаться свободно. Чтобы скользить по снегу - передвигаться на санях, надо затратить в 10 раз меньше энергии, чем при передвижении на колесах. При давлении и трении полозьев саней или лыж поверхностные частички снежного покрова тают, появляющаяся при этом пленка воды служит смазкой. Поэтому «скользкость» зависит от температуры снега и от скорости перемещения. Трение минимально при скольжении по сухому снегу при температуре близкой 0°C. Если снег увлажняется, трение начинает возрастать пропорционально увлажнению. При температуре ниже минус 25°C сопротивление снега скольжению с малыми скоростями приближается к величине сопротивления скольжения по сухому песку. Увеличение скорости скольжения приводит к уменьшению трения. Высокая скорость бега как бы помогает скольжению и тем самым способствует еще большей скорости. При остановке, водяная пленка под полозом замерзает, образуется лед. Чем дольше остановка, тем прочнее вмерзаешь. Соответственно увеличивается и усилие, требуемое для того, чтобы снова сдвинуться с места. При кратковременной остановке (например, в конце скольжения на лыже, перед очередным толчком) оно минимально. Если прочность смерзания между поверхностью лыжи и снегом окажется больше, чем сопротивление снега сдвигу лыжи, то возникает явление знакомое многим - снег налипает на лыжи. И чем чаще останавливаешься передохнуть, тем тяжелее от этого становятся лыжи. Тут может помочь специальная смазка, уменьшающая прочность смерзания и улучшающая скольжение.

Таким образом, физические свойства снега и льда таят в себе множество загадок. Их разгадывание представляет собой не только интересную проблему, но и имеет прямое отношение к круговороту влаги на планете Земля.

1.2 Практическое изучение физических свойств снега и льда

Можно предполагать, что столь распространенный в природе материал, как снег и лёд достаточно хорошо изучены и свойства их общеизвестны. Какие тайны они еще могут хранить? Я решил неожиданно для себя вступить в неизведанное царство, на нехоженные мною тропы познания. Вот, что из этого получилось. Приведу примеры своих плутаний по одной из таких, казалось - бы ясных, троп.

Цель: выявить свойства снега и льда опытным путём.

Опыт № 1. Взял на улице немного свежего рыхлого снега и положил его в мерный стакан. Дома опустил в стакан со снегом термометр и следил за его показаниями. Записывал данные о температуре, пока снег полностью не растает.

По этим данным сделал таблицу и построил график, который показывает, с какой скоростью тает снег и как изменяется температура. На графике на вертикальной оси (ось ординат) отметил показания термометра, а на горизонтальной оси (ось абсцисс) - интервал времени.

Когда снег полностью растаял, отметил уровень воды. Я увидел, что уровень изменился. Объем воды меньше (80 мл), чем объем снега (500 мл). Объем изменился в 6,25 раз.

Так почему объем воды меньше, чем объем растаявшего снега?

Снег просто изменил свое агрегатное состояние. И именно поэтому "уменьшился". Снежинки не могут плотно прижаться одна к другой, между ними всегда остается воздух. Поэтому и занимают большой объем.

А когда эти же снежинки растают, то молекулы, из которых они состоят, теряют свою жесткую структуру. Теперь они могут сблизиться друг с другом так, что между ними не остается никаких промежутков. И поэтому они занимают меньше места.

Опыт № 2. Возьму четыре пластиковых одноразовых стаканчика, налью в них воды и поставлю замораживаться в холодильник. Когда вода полностью превратится в лед, достану стаканчики из холодильника. Видно, что лед поднялся бугорком. Вода замерзает не равномерно. Вначале, лед появляется у стенок стакана, постепенно заполняя весь стакан. В воде молекулы движутся хаотично, поэтому она принимает форму стакана, в который налита. Лед же имеет четкую кристаллическую структуру, при этом расстояния между молекулами льда больше, чем между молекулами воды, поэтому лед занимает больше места, чем вода, то есть расширяется.
Поэтому объем льда больше, чем воды, из которой он получился.

Опыт № 3

Теперь буду наблюдать, как размораживается лед в различных условиях. Надо приготовить 4 одинаковые тарелки и достать лед из каждого стаканчика.

*Первый кусочек льда положу в сухую миску;

*Второй - в миску, наполненную горячей водой;

*Третий - в миску с водой комнатной температуры;

* В четвертую миску положу кусок льда, предварительно обернув его кусочком ваты.

Наблюдаю, как тает лед в каждой миске.

Быстрее всего лед растает в миске с горячей водой, затем в миске, наполненной водой холодной. Обратите внимание, что лед в воде не утонул, а значит легче воды. Над водой выступает лишь небольшая часть льдинки, но большая все же покрыта водой. Медленнее таять будет кусок, положенный в сухую емкость из-за того, что теплопроводные свойства воды лучше, чем теплопроводные свойства воздуха. А вот лед, завернутый в вату, как ни странно, будет таять дольше всего, поскольку изоляция ваты не позволяет взаимодействовать с окружающим теплым воздухом. Еще одна интересная особенность связана с таянием льда из пресной и соленой воды. Если заморозить стаканчики с пресной водой и водный соленый раствор, затем поместить в одинаковые условия для размораживания, то окажется, что соленый лед растает немного быстрее, чем несоленый.

Наблюдение № 1. Раскопаем снег лопаткой. Мы видим маленькие ростки травы. Это озимые сорта пшеницы. В снегу зимуют и прячутся от холода многие животные: мышь, медведь, бурундук, ёж. Что делают рыбаки на реке зимой? Почему все живое не замерзает подо льдом? Оказывается, подо льдом плюсовая температура. Снег нужен растениям, корням, семенам, он не греет, но, как и лед, сохраняет тепло.
Вывод: снег и лёд сохраняют тепло, а, значит, имеют огромное значение для жизни растений и животных.

Наблюдение №2. Игра в снежки, строительство снежных городков, крепостей, катание на лыжах, санках, коньках - зимние развлечения людей.

Вывод: снег рыхлый, а лёд скользкий.

Глава 2. Значение снега и льда в жизни человека и природы

2.1 Снег и его роль в жизни человека и природы

Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. В нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях - хлеб в закромах», «Зима без снега - лето без хлеба», - справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров - это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров - «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.

Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.

Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере - от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, она находится в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга. Скромно начав с одноместного номера, отель за 15 лет разросся до 5 тысяч квадратных метров. 30 тысяч тонн снега и 4 тысячи тонн льда принимают за сезон 37 тысяч гостей. Климат внутри гостиницы меняется в зависимости от температуры снаружи - в пределах от 4 до 9 градусов Цельсия ниже нуля. А на улице запросто может быть минус 40. Постояльцы гостиницы спят в тёплых спальных мешках на специальных кроватях, построенных из снега и льда, на оленьих шкурах. Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.

Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках. В снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.

2.2. Лёд в жизни человека и природы

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями - обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Прогнозирование, обнаружение, предотвращение вредных явлений, борьба с ними и использование льда в различных целях (снегозадержание, устройство ледяных переправ, изотермических складов, облицовка хранилищ, льдозакладка шахт и т.п.) представляют предмет ряда разделов гидрометеорологических и инженерно-технических знаний (ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение и др.), деятельности специальных служб (ледовая разведка, ледокольный транспорт, снегоуборочная техника, искусственное сбрасывание лавин и т.д.).

Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.

На Руси катались на «санках-ледянках». Готовились ледяные круги, в них вырубали место для сиденья. Туда клали солому, сено. В передней части ледянки делали отверстие для веревочки. Снизу ледянку тщательно выравнивали. На таких ледянках и катались наши прабабушки и прадедушки. Изо льда мастера делают настоящие произведения искусства: ледяные кареты, дворцы, замки.

Заключение

В результате проведенных опытов и наблюдений, мы подтвердили первоначальную гипотезу, согласно которой снег и лед - это замерзшая вода и их родство доказано физическими свойствами. Снег и лёд имеют огромное значение в жизни живой природы и человека. Снег и лёд - это развлечения для малышей и взрослых.

Литература

1. Большая энциклопедия школьника. «Планета Земля». «Издательство Росмэн- Пресс», 2001.- 657 с.: А. Ю Бирюкова.

2. А. Ю Бирюкова. Животный мир нашей Родины. Пособие для учителя начальных классов, Москва , Просвещение, 1985.-205с: В.П.Герасимов

3. Словарь русского языка, под ред. Н.Ю. Шведовой, Москва « Русский язык».1989

4. Энциклопедия юному эрудиту обо всём от А до Я. Москва ,«Махаон». 2008

5. Нестандартные интегрированные уроки по курсу «Окружающий мир» -М:ВАКО, 2004 , Н.Т. Брыкина, О.Е. Жиренко.