«Удивительный мир физики». Исследовательская работа «Физика на кухне»

Филиал муниципального бюджетного образовательного учреждения «Чулковская средняя общеобразовательная школа»

Скопинского муниципального район Рязанской области

«Секиринская основная общеобразовательная школа»

Научно – практическая конференция

«Удивительный мир физики»

Название номинации: Физика в нашей жизни

Тема исследовательской работы:«Физика на кухне»

Автор: Косырева Марина Витальевна,

8 класс

Руководитель: Юркина Светлана Анатольевна

2019 год

Цель: проанализировать полезные советы по работе на кухне с точки зрения физических законов, скрытых в них.

Задачи исследования:

1. На домашней кухни провести эксперименты.

2.Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физические законы.

3.Пополнить знания по физике, изучив дополнительную литературу и ресурсы Интернет по наблюдаемым явлениям на кухне.

Гипотеза исследования.

Большинство процессов, происходящих на кухне, являются ярко выраженным доказательством физических явлений и законов.Многие полезные советы можно объяснить с точки зрения законов физики.

Новизна работысостоит в том, что создана работа, в которой зафиксированы физические явления, встречающиеся на кухне.

Предмет исследования:полезные советы о приготовлении пищи,физические явления, происходящие на кухне.

Значимость исследования:

Успешно изучая физику можно более эффективно применять полученные знания в конкретных случаях.

Место исследования:

Кухня.

Методы исследования:

Наблюдение

Сравнение

Вычисление

Эксперимент

Актуальностьисследовательской работызаключается в том, чтобы уметь замечать, применять полученные знания на практике, в жизни.

Оказывается, такая серьезная наука, как физика, очень близка к нашей обычной, повседневной жизни и окружает нас повсюду.Я, вместе сосвоими одноклассники в 7 классе начали знакомство с новыми предметами, одним из которых является физика. Данный предмет меня очень сильно заинтересовал, потому-что, чем больше я узнаю, тем больше понимаю: многие физические закономерности можно получить из собственных наблюдений и опытов. Физика обладает необыкновенным свойством: изучая самые простые явления можно вывести общие законы.

Проблема, которую я для себя обозначила сложность восприятия и понимания материала традиционными способами урок, лекция, изучение учебной литературы. В своей исследовательской работе я хочу показать, как можно использовать законы физики дома в бытовых условиях, в знакомой каждому среде на самой обычнойкухне, а именно в процессе приготовления пищи.

Ежедневно мы проводим на кухне 1-2 часа. Кто-то меньше, кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях, когда готовим завтрак, обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях, чем на кухне и быть не может.На кухне можно, на мой взгляд, и поэкспериментировать, и понаблюдать, а потом, хорошо поразмыслив, найти тесную взаимосвязь увиденного и полученного с тем, что мы изучаем на уроках физики.Конечно, всё охватить просто невозможно. Но, всё-таки, на ряд вопросов я сумела найти ответы и, самое главное, попыталась объяснить их с точки зрения физики. На некоторые вопросы нашла ответы в дополнительной литературе, в Интернете, а на некоторые догадалась сама, так как кое-что усвоила с уроков физики.

В своей работе я обратила внимание на определённые темы по физике: «Состав вещества», «Тепловые явления», «Давление», «Плотность»и многие другие. Связывает их одно – они являются физическими явлениями, происходящими на кухне, с которыми я столкнулась в работе.

Теория явлений, встречающихся на кухне.

Диффузия - С этим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio - взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) - от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.

Это явление на кухне можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем почувствовать специфический запах, который знаем с детства.

А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Примером диффузии в твердом теле может быть засолка помидоров, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы натрия (Na) и хлора (Cl), которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.

Смена агрегатного состояния. Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1-2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.

И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 градусов по Цельсию, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким явлением, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 градусов сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 градусов происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 градусов жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4 процента, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.

Проявление закона Архимеда. Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на 3/4 в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимаетсяк краям кастрюли.

Это явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам закон, объясняющий это явление.

Поверхностное натяжение. Многие помнят опыты с жидкостью, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это явление можно наблюдать в дуршлаге - после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок - на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.
Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.

Смачивание и растекание. На кухонной плите с жировой пленкой пролитая жидкость может образовать маленькие пятна, а на столе - одну лужицу. Все дело в том, что молекулы жидкости в первом случае сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности плиты, где есть несмачиваемая водой жировая пленка, а на чистом столе притяжение молекул воды к молекулам поверхности стола выше, чем притяжение молекул воды между собой. В результате лужица растекается.

Это явление также относится к физике жидкостей и связано с поверхностным натяжением. Как известно, мыльный пузырь или капли жидкости имеют шарообразную форму из-за сил поверхностного натяжения. В капле молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильней, чем к молекулам газа, и стремятся внутрь капли жидкости, уменьшая площадь ее поверхности. Но, если есть твердая смачиваемая поверхность, то часть капли при соприкосновении растягивается по ней, потому что молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, и эта сила превосходит силу притяжения между молекулами жидкости. Степень смачивания и растекание по твердой поверхности будет зависеть от того, какая сила больше - сила притяжения молекул жидкости и молекул твердого тела между собой или сила притяжения молекул внутри жидкости.

Это физическое явление с 1938 года широко стали использовать в промышленности, в производстве бытовых товаров, изготовлении посуды с антипригарным покрытием, производстве непромокаемых, водоотталкивающих тканей и покрытий для одежды и обуви.

Теплопроводность. Одно из самых частых явлений на кухне, которое мы можем наблюдать - это нагрев чайника или воды в кастрюле.

Теплопроводность - это передача теплоты через движение частиц, когда есть разница (градиент) температуры. Среди видов теплопроводности есть и конвекция. В случае одинаковых веществ, у жидкостей теплопроводность меньше, чем у твердых тел, и больше по сравнению с газами. Теплопроводность газов и металлов возрастает с повышением температуры, а жидкостей - уменьшается. С конвекцией мы сталкиваемся постоянно, помешиваем ли мы ложкой суп или чай, или открываем окно, или включаем вентиляцию для проветривания кухни. Конвекция - от латинского convectiō (перенесение) - вид теплообмена, когда внутренняя энергия газа или жидкости передается струями и потоками. Различают естественную конвекцию и принудительную. В первом случае слои жидкости или воздуха сами перемешиваются при нагревании или остывании. А во втором случае - происходит механическое перемешивание жидкости или газа - ложкой, вентилятором или иным способом.При естественной холодные слои под действием силы тяжести опускаются вниз, а теплые-более легкие, под действием архимедовой силы поднимаются вверх. Пример: отопление жилых помещений батареями. При вынужденной-перемешивание слоев происходит искусственно. Пример: вентилятор, перемешивание кофе ложкой, чая ит. д.

Эксперимент№ 1.

Если крышка стеклянной банки туго открывается, её следует опустить в кастрюлю с горячей водой на некоторое время.

Объяснение: я считаю, что при опускании крышки банки в горячую воду происходит процесс теплопередачи. Сначала скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды больше, чем скорость и кинетическаяэнергия частиц крышки. В тех местах, где крышка соприкасается с водой, молекулы горячей воды передают часть своей энергии частицам вещества крышки. Поэтому скорость и энергия молекул воды в среднем уменьшается, а скорость и энергия частиц вещества крышки – увеличивается. При нагревании тела расширяются. Значит, крышка станет больше, и мы сможем её легко открыть.

Эксперимент № 2.

Если нужно порезать зефир на части, не помяв его, например, для украшения торта следует нож предварительно обмакнуть в горячую воду.

Объяснение: с точки зрения физики вещество зефира – упругое твёрдое тело, которое легко деформируется. Острие ножа имеет малую площадь поверхности, что позволяет малой силой производить значительное давление на зефир. При контакте с горячей водой нож нагревается, а значит, происходит тепловое расширение металла, давление немного уменьшается, вода играет роль смазки и уменьшает силу трения.

Эксперимент № 3.

Чтобы отличить вареное яйцо от сырого, следует сделать вращательное движение. При этом сырое яйцо почти сразу остановится, вареное вращается гораздо дольше.

Объяснение: я считаю, что варёное яйцо, в отличие от сырого, вращается как единое целое. А у сырого яйца жидкое содержимое слабо связано со скорлупой. Из-за инерции покоя вращение жидкого содержимого отстаёт от вращения скорлупы и тормозит общее движение яйца.

Эксперимент № 4

Существует мнение, что сырое яйцо нельзя раздавить в кулаке. Мы это проверили. Предварительно, очень внимательно исследовали яйцо на наличие микротрещин. На эксперимент пригодились из 5 яиц, только два.

Объяснение:да, действительно, вареное яйцо раздавали без усилий. А сырое не смогли, как ни старались. А дело в том, что внутреннее содержимое распределяется в яйце равномерно, создавая противодавление. Когда вы сжимаете яйцо в ладони со всех сторон равномерно,  вы не сможете его раздавить. Конечно же, форме яйца отведена определенная и очень важная роль в его прочности во время сдавливания. Еще в давние времена люди приметили, что если сжать в ладони его куполообразную часть, то оно выскальзывает из кулака и это явление люди научились использовать в свою пользу. Например, данный принцип использовали народы севера, ведь их лодки строились с днищами, имеющие вид половинки яйца. Когда лодка попадала в ледяной плен, ее при сжатии выбрасывало наверх. У современных ледоколов днища также имеют яйцеобразную форму, поэтому они могут осуществлять свою работу среди льдов. Если вы возьмете в руки яйцо и равномерно обхватите его ладонью, оно не раздавится, если только яйцо не было повреждено. Все просто, так как сила сжатия будет распределяться равномерно. Не нужно  портить яйца, чтобы доказать обратное. Некоторыми «умниками» специально нарушается целостность яйца, когда они пытаются доказать, что им удастся его раздавить.

Эксперимент№ 5.

Чтобы без проблем очистить лук, его нужно предварительно подержать в горячей воде. Тогда лук легко очистится и слёз не будет.

Объяснение: из-за теплового расширения кожура отстаёт от луковицы и легко снимается. Общеизвестное свойство лука – вызывать слёзы. Я считаю, что причина в испарении сока лука, который испаряется и воздействует на наши глаза. При замачивании луковый сок поверхностных слоёв переходит в воду, концентрация этого сока резко снижается и воздействие на глаза не так ощутимо.

Эксперимент№ 5.

Что такое тост? Тост, тостовый хлеб (англ. toast) пористый белый хлеб с тонкой корочкой, обычно продаётся в упаковках, порезанным на ломтики.

Передупотреблением ломтики стандартной квадратной формы поджариваются с двух сторон. Печка для поджаривания тостов называется тостером. Тостера у меня нет, поэтому я воспользуюсь утюгом. Кладем кусочек хлеба на смазанный маслом лист фольги, заворачиваем его и прижимаем утюгом с каждой стороны по 50 секунд. Утюг выставляем на максимальную температуру. Согласно законам теплообмена происходит процесс передачи энергии от одного тела другому. Утюг нагревает фольгу снаружи, которая передает энергию тосту, находящемуся внутри нее. При этом фольга не позволяет передачу энергии (тепла) изнутри в окружающую среду (воздуху).

Фольга предварительно смазана маслом, чтобы не дать припечься хлебу к фольге. Масло быстро нагревается, поджаривая внешний слой тоста, вода испаряется, образуя слой пара, который «поднимает» хлеб над масляной пленкой, и не дает ему пристать к горячей поверхности.

Вывод: В ходе работы над исследовательской деятельностью на маминой кухне я сделала для себя множество открытий. Я приоткрыла для себя мир физики и поняла, что физика с нами везде, даже на кухне. И теперь я это не только понимаю, но и могу объяснить, как все происходит.Проводимые мной домашние эксперименты повысили интерес к изучению предмета. Я сумела заинтересовать своих одноклассников в открытых мною явлениях на кухне.Результатами моей работы являются проведенные опыты на маминой кухне. И многие соблазнились провести ряд экспериментов на своей кухне.

Этой работой мне хотелось показать, что физика не ограничивается стенами лабораторий. Физика и физические задачи повсюду существуют в мире, в котором мы живем. Мне было интересно выяснить, насколько тесна связь физики с обыденными явлениями, которые мы наблюдаем ежедневно. Теперь я с уверенностью могу сказать: «Да, физика помогает объяснить многое из того, что нас окружает, физика - поистине вездесущая наука».