Исследовательская работа "Диффузия вокруг нас"

МБОУ СОШ № 29

Исследовательская работа

по физике:

«Диффузия вокруг нас »

  Автор работы:

ученик,

Ученик 7 класса МБОУ СОШ № 29

Г. Сургут, ХМАО-Югра

Руководитель:

Аллаярова Р.Р., учитель физики

Сургут

Оглавление

Введение…………………………………………….…………………

Основная часть

1. Что такое диффузия? .........................................................................

2. Виды диффузии………………………………………………….…..

2.1. Диффузия в газах………………………………………….……….

2.2. Диффузия в жидкостях……..………………………….…….........

2.3. Диффузия в твердых телах………………………………………..

3. Примеры проявления диффузии в природе и технике……………

3.1. Диффузия в растительном мире

3.2. Роль диффузии в пищеварении и дыхании человека

3.3. Осмос.

3.4. Применение диффузии в технике.

3.5.Вредные проявления диффузии.

4. Экспериментальная часть…………………………………………..

5. Заключение…………………...……………………………………....

Список использованной литературы………………………………….

 Хоть мускус был в мешках упрятан,

Распространяет аромат он…

 Ибн Абд Раббихи. «Хоть мускус был в мешках упрятан…»

Введение.

Темой своей исследовательской работы я выбрал явление диффузим. Явление диффузии окружает нас повсюду: на земле, в атмосфере, в морях и океанах, в быту, на производстве.… Поэтому, изучение диффузии очень важно и интересно.

Без знания о диффузии, человечество не смогло объяснить многие существующие природные явления, не были бы созданы новые материалы с заданными параметрами, мы не смоги бы пользоваться различными ароматизаторами, не было бы такого множества красок вокруг нас и многого другого. Человеку необходимы знания о диффузии, чтобы двигать прогресс вперед, делать новые открытия и изобретения.

Цели:

Расширить знания о диффузии

Выяснить: от чего зависит диффузия

Изучить роль диффузии в жизни человека

Подтвердить теоретические факты экспериментами

Обобщить приобретенные знания и сделать выводы

Объект: Окружающая среда и человек

Предмет: Диффузия

 Гипотеза нашего исследования: выяснение того факта, что скорость диффузии наибольшая в газообразных телах, уменьшается при переходе газа в жидкость и наименьшая, если тело переходит в твердое состояние.

 Актуальность данного исследования я вижу в том, что тема «Диффузия» во-первых, является одной из важных тем в курсе физики, объясняющая огромное количество природных явлений, происходящих вокруг, следовательно, полученные мною знания можно применять не только на уроках физики, но также и на уроках биологии, химии, географии.

Во-вторых: при сдаче и подготовке к ГИА. Я собираюсь сдавать физику, поэтому, таким образом, я готовлюсь к экзаменам по физике.

В третьих: меня очень заинтересовала эта тема, и я решил изучить ее более подробно и углубленно.

 Основные методы работы – поисковый, метод обобщенного анализа (сравнение имеющихся знаний с полученными данными), эксперементально – практический метод.

 Исследование проводилось в течение 3 месяцев (март – май 2014 года) в четыре этапа:

I этап – организационный. Планировалась исследовательская работа, разрабатывалась система.

II этап – информационный. Изучалась литература по проблеме, исследовался материал Интернета.

III этап - этап реализации проекта. Была проведена практическая часть исследования. Впоследствии был собран и систематизирован полученный теоретический и практический материалы.

На IV – оценочно - аналитическом этапе был сделан анализ результатов исследовательской работы, сделаны выводы.

Основная часть

1. Что такое диффузия?

Всем известно, если два вещества соприкасаются друг с другом, то они непременно перемешаются между собой. Этот самопроизвольный процесс перемешивания веществ в науке называется диффузией.

ДИФФУЗИЯ (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание)

- это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотического движения и столкновений друг с другом.

Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:

• Все вещества состоят из частиц

• Между частицами имеются промежутки

• Частицы вещества находятся в постоянном движении

Применение диффузии

Воздух, как известно, представляет собой смесь газов. Однако вследствие диффузии на одной высоте от Земли состав атмосферы оказывается достаточно однородным.

Диффузия широко используется в пищевой промышленности при консервировании овощей и фруктов, при засолке огурцов.

Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных.

Диффузия используется при выплавке стали. Для придания стальным деталям прочности их помещают в специальные печи, где, находясь в разогретом состоянии, они насыщаются кислородом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность

С ее помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы.

2.1. Диффузия в газах

- Почему возможно распространение запахов в пространстве? (Например запаха духов)

Распространение запахов возможно благодаря движению молекул веществ. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы духов много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Причина диффузии - беспорядочное движение молекул.

Пояснение: частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает быстро.

2.2. Диффузия в жидкостях

Если бросить несколько кристалликов перманганата калия в воду, мы будем наблюдать, что в течение нескольких часов будет происходить окрашивание воды в розовый цвет. Вывод: следовательно скорость диффузии в жидкости намного меньше чем в газах.

Пояснение: частицы в жидкости «упакованы» так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров. Сами частицы могут перемещаться по всему занимаемому жидкостью объему сосуда. Перемешивание жидкостей происходит медленно

2.3. Диффузия в твердых телах.

Если привести в соприкосновение две пластины: одну из меди, другую из олова, диффузия (перемешивание) веществ, конечно, произойдет, но на это понадобятся года. Вывод: скорость диффузии в твердых телах еще меньше чем в жидкостях.

Пояснение: в твердых телах расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц. Проникновение через такие малые промежутки частиц другого вещества крайне затруднено и поэтому происходит очень медленно.

3. Примеры проявления диффузии в природе и технике

3.1. Диффузия в растительном мире

К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, – везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия».

Действительно, в растительном мире очень велика роль диффузии. Например, большое развитие листовой кроны деревьев объясняется тем, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.

Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоёмов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.

3.2. Роль диффузии в пищеварении и дыхании человека

Наибольшее всасывание питательных веществ происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65м². Она покрыта ворсинками – микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5 м², т.е. достигает в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. Процесс всасывания питательных веществ в кишечнике возможен благодаря диффузии.

Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку.

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28% а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в легких. Однако во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими, так как общая площадь поверхности легких, если развернуть все 700 млн. альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 квадратных метров а общая площадь поверхности кожи человека около 2 квадратных метров, т.е, в 45-50 раз меньше.

Вывод. Таким образом, диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови – в ткани.

3.3. Осмос.

Одним из видов процесса диффузии является одностороннее проникновение молекул одних веществ в другие. Научным языком это звучит так: диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Такой процесс называется осмосом. Осмос от греческого – толчок, давление. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.

В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.

Аналогичный процесс применяется в медицине, например, в аппарате «искусственная почка». Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.

Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. В солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма. Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров, введенных в полую и локтевую вены. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.

Практическое применение осмоса. Мембранные методы разделения применяются для опреснения солёных и очистки сточных вод, получения особо чистой воды, разделения углеводородов, концентрирования растворов, в том числе пищевых продуктов, биологически активных веществ, обогащения воздуха кислородом. В настоящее время во всем мире действует свыше 2000 заводов по опреснению воды.

3.4. Применение диффузии в технике.

Диффузия находит широкое применение в промышленности. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены главным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

Существенную роль в работе ядерных реакторов играет диффузия нейтронов, то есть распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекул в газах и подчиняется тем же закономерностям.

В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, Для создания, например, полупроводникового диода в одну из поверхностей германия вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образовывается р-n – переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.

На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Он применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях. Для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

3.5.Вредные проявления диффузии.

Но, не всегда диффузия благо для человека. Порою диффузия бывает вредным и даже опасным явлением. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета ни запаха, поэтому трудно сразу заметить его утечку. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей

Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.

Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.

Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

 4. Экспериментальная часть.

Я провел исследование, как зависит явление диффузии от температуры. Это и был мой 1 опыт: изучить зависимость скорости диффузии от температуры. Для этого мы с мамой взяли 2 стакана с водой различной температуры : комнатной и горячей из чайника, опустили в них по пакетику чая и увидели что диффузия прошла гораздо быстрее в стакане с горячей водой. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул. Второй опыт я провел с духами. В этом мне помогали мама , папа и старший брат. Мама распылила духи возле двери комнаты, а мы говорили, когда начинали чувствовать запах этих духов, последним почувствовал папа (он стоял дальше всех от двери), через сорок пять секунд от начала эксперимента. Так мы подтвердили, что скорость диффузии в газах велика. Третий мой опыт заключался в том, что я выяснял скорость смачивания зависит ли от рода вещества. Я взя два одинаковых листочка бумаги и опустил каждый из них на одинаковую глубину один в масло подсолнечное, а другое в воду. Быстрее процесс произошел с водой.

Мои результаты:

1.В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкости и твердом теле, а в жидкости скорость диффузии больше, чем в твердых телах.

2.Явление диффузии протекает по-разному при разной температуре, чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.

Выводы:

Диффузия играет очень большую роль в жизни человека, без этого явления жизнь на Земле была бы не возможна

Человек использует это явление для своего блага.

Скорость явления зависит от рода вещества, температуры.

Литература

М.Г. Ковтунович Домашний эксперимент по физике 7-11 классы. Пособие для учителя.- М.: ВЛАДОС, 2007

А.А. Леонович Физический калейдоскоп.- М.: Бюро Квантум, 1994

А.В. Перышкин.Физика 7 класс.- М.: Изд. Дом «Дрофа», 2002

В. Шабловский Занимательная ФИЗИКА. серия «Нескучный учебник».- С-П.; Тригон, 1997

Генденштейн Л.Э. и др. Задачи по физике для основной школы с решениями. Москва, Илекса.2005 г.

Енохович А.С. Краткий справочник по физике.

Камин А.Л.Физика. Развивающее обучение. 7 класс. Ростов-на-Дону, Феникс. 2003 г.

Кембровский Г.С. Пособие по физике.

Материалы с сайта www.fizika.ru