Методическая разработка для проведения заседания секции химии НОУ

Методическая разработка проведения заседания секции химии НОУ Руководитель Каршина Татьяна Евгеньевна, учитель химии

Подготовительная работа, организация и проведение заседания направлено на: • формирование и развитие исследовательской компетентности обучающихся, способности к исследовательскому типу мышления; • активизации личностной позиции обучающего в образовательном процессе на основе приобретения субъективно-новых знаний; • приобретение навыков самостоятельной работы с большим количеством информации; • формирования практических и экспериментальных навыков; • формирования умения видеть проблему и находить пути для её решения; • научить обучающихся ставить цель, планировать деятельность, выбирать наиболее оптимальные методы работы, представлять результаты исследования. В настоящее время мыльные пузыри становятся интересными объектами, изучая свойства которых можно не только развлекаться, но и понимать глубже, как устроен мир, в котором мы живём. Мыльный пузырь – это уникальный объект позволяющий приоткрывать тайны. Основополагающий вопрос: Действительно ли мыльный пузырь играет важную роль в науке и технике? Что нового каждый из нас может найти для себя, изучая особенности мыльного пузыря? Гипотеза: Состав мыльных растворов, условия, в которых находится мыльный пузырь, позволяют раскрыть природу и особенности поведения мыльного пузыря. Методы: 1. Использование законов, определяющих условия образования и размер пузырей. 2. Проведение экспериментов, определяющих связь размера пузыря с качеством моющего средства. 3. Наблюдение за кристаллизацией мыльного пузыря в условиях низких температур. 4. Создание модели левитирующих мыльных пузырей. 5. Моделирование изменения цветовой гаммы мыльного пузыря.

Учитель: ( На доске ) «Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы». Марк Твен Тайна №. Происхождение мыльного пузыря. Доподлинно известно, что при раскопках древней Помпеи археологи обнаружили необычные фрески с изображением юных помпейцев выдувающих мыльные пузыри. Видимо, у них были свои секреты производства мыла. В 19 веке выпускали открытки с изображением мальчика пускающего пузыри. Французский живописец Жан Бати́ст Симео́н Шарде́н тоже был неравнодушен к данному чуду и прославился в области натюрморта и жанровой живописи, написав «Мыльные пузыри». В календаре знаменательных дат есть Международный день числа «Пи» (14 марта), Международный день красоты (9 сентября). В Москве на Старом Арбате в 2008году устроители решили впервые проводить день Мыльных пузырей 6 апреля. Таким образом, мыльные пузыри радовали детей и взрослых, философов, художников, учёных на протяжении веков, не оставляя равнодушных и в 21 веке. Сегодняшнее мероприятие посвящено рассмотрению необычного объекта, которое в повседневной жизни называется просто мыльный пузырь. Почему мыльные пузыри, спросите вы? Английский учёный лорд Кельвин, живший в прошлом веке, однажды сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки наук». Давайте и мы попробуем сегодня поднять завесу тайн мыльных пузырей. Попытаемся создать отчёт о проделанной вами работы в творческих группах в форме заседания секции химии в рамках школьного научного общества (НОУ). Надеюсь, что ваши мини-исследования с мыльными пузырями позволят продемонстрировать тайны мыльного чуда, которые имеют важнейшее значение в науке и технике. Творческая группа1 Учитель. Приготовление мыльных растворов. Изучение размеров мыльного пузыря от состава растворов. Изучение цвета плёнки мыльного пузыря. В чём кроется тайна данных мини-исследований? Отчёт творческой группы 1. Слайд Слайд Слайд Цель работы: приготовление растворов для выдувания прочных, больших, долгоживущих мыльных пузырей. Для надувания пузырей нам потребовались:

1. Мыльный раствор для пузырей с добавками и без них. Глицерин делает стенки мыльного пузыря прочнее, а сам пузырь, соответственно, более долгоживущим. Вода должна быть мягкой. В жесткой воде содержится много солей, из-за чего пузыри получаются хрупкими и быстро лопаются. Мы использовали дистиллированную и для сравнения свойств мыльных пузырей водопроводную воду.В качестве добавок мы использовали сахар, желатин, раствор аммиака.

2. В качестве устройств для надувания пузырей мы использовали: стеклянные, картонные и пластмассовые трубочки различного диаметра; воронки. Большое значение имеет материал и форма трубочки или воронки для выдувания пузырей. ТАБЛИЦА+ВЫВОДЫ.вот какие результаты мы получили.

При выдувании пузыря наблюдалась определённая «радужная картина». Толщина пузыряпри выдувании меняется из-за гравитации, которая стягивает жидкость в нижнюю часть так, что обычно мы можем наблюдать полосы различного цвета, которые движутся сверху вниз. Мы заметили, что более толстая плёнка убирает из белого света красный компонент, делая тем самым оттенок отражённого света сине-зелёным. Более тонкая плёнка убирает жёлтый (оставляя синий свет), затем зелёный (оставляя пурпурный), и затем синий (оставляя золотисто-жёлтый). В конце концов стенка пузыря становилась при выдувании очень тонкой и мы переставали видеть отражение совсем (на тёмном фоне эта часть пузыря выглядит «чёрным пятном») и пузырь вскорости лопался. Тайна №. Можно ли получить цветные пузыри. Опыт. Белые мыльные пузыри Слайд Окрасить мыльную пленку в какой-либо другой цвет непросто. Пленка слишком тонкая и если добавить в раствор краситель, то, скорее всего, цвет красителя будет незаметен. Кроме того, некоторые красители способны уменьшать стабильность мыльных пузырей. Мы задались вопросом сделать, а можно сделать так,чтобы мыльный пузырь стал хотя бы белым? Решили, если сложно получить белую мыльную пленку, то хотя бы сделать белым воздух внутри самого мыльного пузыря. Для этой цели мы использовали дым хлорида аммония. Для выдувания мыльных пузырей использовали тот же раствор, что и в предыдущих опытах с добавлением аммиака. Пузыри выдували с помощью бутылки со срезанным дном. В которой привязывали ниткой ватку смоченную концентрированной соляной кислотой. Во время выдувания пузыря хлороводород и аммиак реагировали в газовой фазе, образуя густой белый дым хлорида аммония. Мыльный пузырь становился белым и непрозрачным. После того, как пузырь (особенно, большой) лопался, высвобождалось много белого дыма. Образовывалось настоящее облако. Опыт выглядит более красиво при ярком солнечном свете. Пары соляной кислоты представляют большую опасность для эмали зубов, поэтому перед экспериментом и после эксперимента полоскали рот раствором питьевой соды (гидрокарбоната натрия). Тайна №. Что такое мыльный пузырь? Учитель. Творческая группа 2 ответить на вопрос «Что тоньше всего?», « Какова природа мыльного пузыря?», Творческая группа 1. Структура стенки мыльного пузыря 1)Изучая электронно-информативные источники мы столкнулись с очень интересными фактами. Оказывается, что плёнка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооружённому глазу человека. При увеличении в 200 раз человеческий волос имеет толщину около сантиметра, разрез же мыльной плёнки даже в таком увеличении ещё недоступен зрению. Требуется увеличение ещё в 200 раз, чтобы разрез стенки мыльного пузыря усматривался в виде тонкой линии; волос же при таком увеличении (в 40000 раз) будет иметь толщину свыше 2 метров. Согласно научным данным Мыльный пузырь является примером смектического жидкокристаллического вещества. «Смегма»- греческое слово, означающее мыло, состоящее из молекул формы вытянутого эллипса. Внешняя и внутренняя поверхность пузыря представляют собой смектические слои. Взаимное притяжение молекул мыла в поверхностных слоях создаёт необходимое для устойчивости пузыря поверхностное сцепление. Слои могут достаточно свободно скользить друг по другу, что приводит к появлению у такого вещества механических свойств двумерной жидкости. СЛАЙД РИС смектические кристаллы 2) Я хочу дополнить. На рис. Изображено поперечное сечение мыльного пузыря. Смектические жидкокристаллические слои образуют внутреннюю и наружную поверхности пузыря, между которыми находится вода. Эти слои содержат в себе молекулы, одна часть которых является гидрофильной и привлекается тонким слоем воды. А другая гидрофобной, которая водой выталкивается. Пузырь существует потому, что поверхность воды имеет поверхностное натяжение. Однако, пузырь, сделанный только из воды, нестабилен и быстро лопается. Для того, чтобы стабилизировать его состояние, в воде растворяют поверхностно-активное вещество- мыло. Ошибочно мнение, что мыло увеличивает поверхностное натяжение воды. И МЫ ЭТО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПРОВЕРИЛИ обычным кусочком мыла и спичкой плавающей на поверхности воды. На самом деле мыло уменьшает поверхностное натяжение примерно до трети от поверхностного натяжения чистой воды. Когда мыльная пленка растягивается, концентрация мыльных молекул на поверхности уменьшается, увеличивая при этом поверхностное натяжение. Таким образом, мыло избирательно усиливает слабые участки пузыря. Оно также предохраняет воду от испарения тем самым обеспечивая продолжительность жизни пузыря. Схематичное изображение пленки мыльного пузыря Рис. дает наглядное представление об этих соотношениях. Игольное ушко, человеческий волос, бацилла и паутинная нить, увеличенные в 200 раз. Бациллы и толщина мыльной пленки, увеличенные в 40000 раз. 1 мю=0,0001 см.

Тайна №. Для чего нужны мыльные пузыри? Творческая группа. НАУКА И ТЕХНИКА 1) Нанотехнология на базе мыльных пузырей

Как использовать простую детскую забаву — пускание мыльных пузырей — для производства нанотехнологических изделий догадались Гуйхуа Юй (Guihua Yu) и Чарльз Либер (Charles M. Lieber) из Гарвардского университета (Harvard University), а также — Аньюань Цао (Anyuan Cao) из университета Гавайев в Маноа (University of Hawaii at Manoa).

Новые опыты похожи на выдувание мыльных пузырей, но сами пузыри – сделаны вовсе не из мыла. Учёные создали специальные жидкости на основе полимеров.

Аккуратно повышая давление внутри пузыря, исследователи добивались его роста до десятков сантиметров. Использование особенностей простой детской забавы — пускание мыльных пузырей позволило создать метод нанесения нанотрубок. Напротив растущего пузыря авторы необычной технологии помещали кремниевую пластину, гибкий пластмассовый лист и цилиндр. При соприкосновении пузыря с этими предметами нанотрубки равномерно переносились на новую поверхность.

Авторы изобретения утверждают, что в серийном производстве можно будет выдувать пузыри диаметром до нескольких метров, так что становится возможным быстрое и сравнительно недорогое изготовление очень крупных пластиковых листов с нанотранзисторами на поверхности. Листы эти могут, в свою очередь, служить заготовками для экранов, биологических датчиков и других изделий.

Тайна №. Для чего нужны мыльные пузыри?

Творческая группа. Наука и техника. 2) ДИСПЛЕЙ ИЗ МЫЛЬНОГО ПУЗЫРЯ СОЗДАН В ЯПОНИИИ Ученые из Токийского университета создали самый тонкий экран в мире, на поверхности мыльного пузыря. С помощью ультразвуковых он может отображать яркие образы, плоские и текстурированные, а также 3Д. По сравнению с обычным экраном на пленке возможно регулировать прозрачность и отражаемость. Ученые также используют ультразвук для изменения текстуры поверхности мыльного пузыря, например для шероховатого эффекта. Состав плёнки мыльного пузыря отличается от состава купленного в магазине. Изобретатели применили две коллоидные жидкости, но основным компонентом осталось мыло. На поверхности пузыря создана микромембрана. Когда свет проходит через эту мембрану, то её структура приобретает различные цвета. Дисплей из мыльного пузыря работает совместно с ультразвуковым излучателем. Если соединить несколько экранов, то можно создать галографические проекции, а несколько объединённых экранов создают 3-Д эффекта. Как полагают учёные такой дисплей из мыльного пузыря можно использовать в музеях и на выставках. Это изобретение может быть также интересно иллюзионистам. Технология проекции на мыльных пузырях будет представлен на конференции по компьютерной графике и интерактивным методам Siggraph 2012 в Лос-Анжелесе. Учитель? Что могли бы наблюдать космонавты, если бы они выдували мыльные пузыри на Марсе? Что такое левитирующие пузыри? Что общего у мыльных пузырей с автомобилями будущего? С этими вопросами и проблемами я обратилась к творческой группе 3. И интересно, какие тайны мыльных пузырей они раскроют для нас, проделывая свои мини-исследования. Тайна №. Левитирующие мыльные пузыри. Что это такое? Опыт1 воздух Опыт2 углекислый газ Опыт3 углекислый газ на дне.

Учащийся 1 Мы изучали поведение мыльных пузырей в атмосфере углекислого газа, заполненными воздухом и водородом. Для этого мы заполнили стеклянный сосуд с широким горлышком: воздухом, углекислым газом и на 2/3 оксидом углерода (IV). Углекислый газ и водород были подведеныиз аппаратаКиппа. Наличие углекислого газа проверяли зажженной лучиной. Её же использовали для поджигания мыльных пузырей наполненных водородом. Мыльные растворы для получения пузырьков брали у ребят другой творческой группы по приготовлению растворов с добавлением глицерина. Мы опускали в ёмкости 1 2 3 пузыри и наблюдали картину: 1 пузыри опускались на дно и лопались 2- во 2 емкости они сразу же вылетали. А в 3 ёмкости с углекислым газом 2/3 по объёму движение мыльных пузырей напоминало медленный танец. Чтобы пузырьки, отрываясь от трубки, не лопались, стеклянную трубку, немного расширенную на конце, следует немного сплавить и смазать мылом. Мыльный пузырь, опущенный в сосуд с углекислым газом, сначала падает вниз, затем поднимается, снова опускается и снова поднимается Как объяснить этот «танец»? Это явление. Мыльный пузырь наполненный воздухом опускается в углекислый газ, потом всплывает и начинает «парить» на границе раздела газов. Пузырь «плавает» в волнах невидимого пруда, как поплавок. Воздух легче углекислого газа, поэтому мыльные пузырь плавает в верхней части ёмкости, словно мяч на воде. Благодаря диффузии пузырьки постепенно заполняются углекислым газом, становятся тяжелее и опускаются вниз. Средние пузыри плавают долго, большие выглядели эффектно, но их быстро сдувало потоком воздуха к одной из стенок. Постепенно углекислый газ проходит внутрь пузыря- тогда пузырь тонет. От растяжения пленки пузыри лопаются. Учащийся 2. Мы наблюдали за игрой цвета мыльных пузырей в атмосфере углекислого газа. Присутствие углекислого газа изменяет цвет пузыря. Светло-голубой, зелёный, жёлтый, красный,малиновый, лиловый и … лопается. Когда мыльный пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся мыльные пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации - образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом (так называемых каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод. Изменяется толщина плёнки.

Тайна №. Для чего нужны мыльные пузыри? Мыльные пузыри — идеальная модель для изучения турбулентности в газовых оболочках планет, так как по своим физическим параметрам отношение толщины мыльной пленки к диаметру пузыря эквивалентно отношению толщины атмосферы к диаметру планеты. Постановка эксперимента французских ученых очень простая. Половина мыльного пузыря, находящегося при комнатной температуре 17°C, с радиусом в разных вариациях эксперимента от 8 до 10 см, нагревалась с помощью специального колечка, охватывающего экватор пузыря. Тепло конвективным образом распространялось от экватора к полюсам, создавая градиент (разность) температур ΔT. Облучая изучаемый объект белым светом, исследователи наблюдали интерференционную картину, из которой видно, что при наибольшей разности температур между экватором и полюсом происходило зарождение вихря, подобного атмосферному циклону - это видно на рисунке. Мыльные пузыри с водородом Мы получали мыльные пузыри. По мере надувания мыльный пузырь приобретал вытянутую форму, образовывалась перемычка, пузырь отделялся и поднимался вверх. Внешне такие пузыри напоминают мыльные пузыри с гелием, но есть и существенное отличие: водород легко воспламеняется при поджигании. Это мы запечатлели на слайде. Пузыри взмывают к потолку по зигзагообразной траектории. Сфотографировать взрывы пузырей было трудно в силу их быстрого полета и непредсказуемости момента и координат взрыва. Когда мыльный пузырь лопается, это тоже идёт на пользу науке. Изучая лопающиеся мыльные пузырьки, ученые, пришли к пониманию процессов кавитации - образовании в капельной жидкости полостей, заполненных газом (так называемых каверн). Когда такое происходит в воде, давление меняется очень резко, отчего может разрушиться даже металл, скажем, гребной винт корабля или трубопровод.

Тайна №. Для чего нужны мыльные пузыри? Творческая группа. Наука и техника Видеокамеры и мыльные пузыри – новая технология исследования аэродинамики автомобилей. Основным методом исследования аэродинамических свойств автомобиля является обдув автомобиля в аэродинамической трубе. До настоящего времени для фиксации изображения воздушных потоков, огибающих автомобиль, в основном применяли дым или газообразные красители. Исследователями была разработана новая технология, которая дала гораздо более точные результаты и позволила наблюдать движение воздушных потоков во всем объеме воздуха, окружающего автомобиль.

Суть этой технологии заключается в распылении в воздушном потоке крошечных мыльных пузырей, наполненных гелием. Движение этих пузырей фиксируется с помощью 12 видеокамер, направленных на автомобиль под разными углами. В компьютере, получающем данные от всех видеокамер, происходит совмещение видеоизображений, вычисление траектории каждого пузырька в отдельности и построение трехмерной модели воздушных потоков и турбулентных завихрений вокруг исследуемого автомобиля.

Совмещение «детского развлечения» и информационных технологий позволили создать методику исследованй аэродинамических характеристик космических кораблей серии Шаттл, которые проводились НАСА в момент разработки этих космических кораблей. Но, такое, какое демонстрирует новая система, было применено впервые и позволило Использование мыльных пузырей позволило получить гораздо более информативные аэродинамические данные, чем получаемые раньше с использованием традиционных методов. В настоящее время планируется уменьшить в несколько раз размер выпускаемых в воздух мыльных пузырей. Это позволит увеличить количество пузырей, одновременно находящихся в воздухе, получить изображение с более высоким «разрешением» и построить более точную модель воздушных потоков. Этот метод позволит создавать новые автомобили будущего и сокращать расход топлива при эксплуатации авто. ТВОРЧЕСКАЯ ГРУППА Тайна №. Летом пузыри падают вниз, а что будет происходить с ними зимой? поднимутся вверх? А можно ли вообще выдуть пузырь на морозе? Изучение мыльных пузырей на морозе. Замерзание пузырей. ВИДИО ЭКСПЕРИМЕНТА. Я проводил наблюдения за поведением мыльного пузыря на морозе. Надувая мыльный пузырь замечал, что он вначале вращается. Его вращение я объясняется разностью температур внутреннего и наружного воздуха. Но в процессе охлаждения пузырь останавливается, примерзая к трубке. При замерзании пузыря вблизи трубки образуется вмятина, так как в этом месте менее охлаждённая и более тонкая оболочка пузыря и под действием атмосферного давления она прогибается. Впрочем, вращение не самое интересное. Интереснее следить за процессом кристаллизации пузыря. Наблюдения запечатлены на видео. На кадрах видно, как в разных точках поверхности мыльного пузыря возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются. Этот процесс напоминает развитие зимних узоров на запотевшем окне. Через некоторое время все узоры сливаются. У замёршего пузыря плёнка оказывается не хрупкой, упавший пузырь не разбивается. Пластичность плёнки обусловлена малой её толщины. Частицы мыла понижают температуру кристаллизации воды. Мыльные пузыри выдувались из раствора моющего средства без глицерина и с добавлением его. Стенки замёршего пузыря из раствора шампуня - это монолитная кристаллическая структура. Межмолекулярные связи в любом месте одинаковы. Пузырь при этом долгоживущий. Добавленный глицерин ослабляет эти связи за счёт своего теплового движения и мыльный пузырь лопается. Пленка мыльного раствора не хрупкая, как тонкая корочка льда. Поверхностное натяжение в момент замерзания стремится к нулю. Пузырь можно взять руками. Пленка не сокращается, она пластична, вследствие малости ее толщины. Обломки мыльного пузыря закручиваются в трубочки. Ученые физики проводили многочисленные опыты, изучая поведение мыльных пузырей в различных условиях. За все время выдано несколько тысяч патентов, где так или иначе принимали участия мыльные пузыри. Так, например, при замораживании мыльного пузыря было сделано множество полезных наблюдений, на основе которых сейчас широко применяется технология заморозки клеток, органов для пересадки и целых живых организмов. Живые клетки тоже в некоторых процессах сродни мыльным пузырям (палочки и колбочки в сетчатке глаза упакованы по принципу уменьшения площади поверхности; процесс заморозки биологических мембран происходит также, как замораживание мыльного пузыря). Моделирование поведения биологических субстанций при минусовых температурах, на основе мыльного пузыря, помогло в решении проблем криоконсервации. Заключение. Учитель. Быстротечное заседание секции химии НОУ «Эврика» подошло к завершению, я благодарю ребят за то, что они смогли ответить, почему же была выбраны для рассмотрения мыльные пузыри. И мы все увидели, что в мыльном пузыре, в его недолговечной и воздушной природе, сокрыто множество тайн. И есть ещё те, которые могут быть в дальнейшем предметом мини-исследований. Я увидела как тайны мыльного пузыря активизировали личностную позицию обучающего на основе приобретения новых знаний; По цветным переливам своим, по сути, Так во многом похожи они - смотри: Эти мыльные пузыри – как людские судьбы. Судьбы – словно мыльные пузыри… Там и тут живой Вселенной осколок И любой уникален – и там, и тут. С тонкой кожей – смотри – горит, как сполох. С толстой кожей – тусклей. Но дольше живут. В снеговой тишине и в весеннем громе Бьется сил и стремлений цветной клубок. «Мыльные пузыри» Надежда Коган

Пример вопросов рефлексии 1. Что мне лично дало выполнение исследования, проекта? 2. Что у меня не удалось по личной вине, в чём это заключалось (непонимание, неумение, недостаток информации, неадекватное восприятие своих возможностей и т. п.)? 3. Что у меня не удалось по объективной причине, в чём это заключалось и как следует избежать неудач в будущем? 4. Если всё прошло успешно, то в чём залог этого успеха?