Книга для учителя
реклама
Глобальная Школьная Лаборатория Материалы для учителя (Включающие книгу для ученика) Часть 3 Разработчик: Образовательный Консорциум “Конкорд” Конкорд, Массачусетс, США При поддержке: Российского Национального Фонда Подготовки кадров (НФПК) Москва, Россия 1 . Глобальная Школьная Лаборатория Инновационный учебнометодический комплект (ИУМК) по естествознанию для 56 класса средней школы. В состав ИУМК входят: Книга для учителя Книга для ученика Журнал для полевых и лабораторных работ Интернет0сайт http://globallab/concord.org Экспериментальная версия На правах рукописи Авторский коллектив Руководитель проекта: Б.С. Беренфельд Координатор зарубежной части проекта: Барбара Тинкер Российский координатор проекта: Е.В. Ковалевская Авторы и разработчики учебных и учебно0методических материалов: Б.С. Беренфельд, С.Н. Ловягин, Барбара Тинкер, при участии Д.Л. Маркмана, Джорджа Коллисон, Джудит Коллисон, Эми Паллант Перевод и адаптация англоязычных материалов курса: Е.В. Ковалевская, Е.Я. Мигунова Графический дизайн проекта: Б.С. Вехтер Молекулярные динамические модели: Дэн Демелин, Чэн Жи Разработка и поддержка Интернет0 сайта: Пол Берни Иллюстрации: Джоан Бредин0Прайс, Б.С. Вехтер, С.Н. Ловягин, Эмили Осман Фотографии: Барбара Тинкер, Антони Бласс, Дик Волтон, Константин Белов, С.Н. Ловягин Авторы выражают глубокую признательность Центру по новым технологиям в образовании (TERC), Кембридж, Массачусетс, США, за предоставленную возможность использовать ряд текстовых и графических материалов, разработанных ими в 199001996 гг. при поддержке Национального Научного фонда США, и учителям энтузи0астам ГлобалЛаб. Их совместными усилиями в 199101995 годах — на заре развития современного Интернета — концепция Глобальной Лаборатории была апробирована в старших классах более 200 школ 30 стран мира. Данный ИУМК — это первая попытка распространить концепцию ГлобалЛаб на младшую и среднюю школы. Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам: М.Ю. Демидовой, Н.В. Дмитриевой и Т.З. Логиновой за их ценные замечания и советы, а также сотрудникам НФПК, прежде всего К.Л. Бутягиной, чьё неусыпное внимание и поддержка способствовали тому, что данный проект увидел свет. 2 Введение для учителя: ГлобалЛаб — 6 класс Если главной задачей работы в ГлобалЛабе в 5 классе была постановка вопросов, обсуждение картины взаимосвязи разных процессов в биосфере, пробуждение интереса к поиску проблем, обсуждение которых формирует интерес к исследовательской деятельности, то задачей ГлобалЛаб в 6 классе является более подробное обсуждение физических экспериментов и наблюдений в связи со значением исследуемых закономерностей для функционирования биосферы. Поскольку в 6 классе важно не столько научить детей формальным описаниям (с помощью многими с трудом постигаемых формул), сколько физическому, биологическому, географическому взглядам на мир, объяснение в материалах для учителя ведётся повседневным языком с опорой на качественное и полуколичественное (оценочное) описание ситуаций. В соответствии с концепцией ИУМК, ученикам не предлагается запомнить готовое решение, а предоставляется возможность самостоятельно прийти к пониманию существа проблемы, задавая “наивные” вопросы и отталкиваясь от предубеждений мнимой очевидности и здравого смысла, активно разыскивая необходимую информацию в Интернете. Предполагается, что практические занятия, предложенные в данном ИУМК служат этапом мотивации для изучения стандартных курсов физики, биологии и физической географии. Выбирая на своё усмотрение те или иные из предложенных практических работ, учителя0предметники включают их в материал уроков биологии, географии, физики как способ создания исследовательской интриги. В 6 классе ученикам предлагается множество экспериментов на выбор — они могут выполнить в классе или дома те из них, которые их заинтересуют. Эти эксперименты могут обсуждаться на уроках географии, физики или биологии — но на каком бы уроке их не обсуждали, ключевым содержанием является обсуждение связи событий в биосфере и физических явлений на уровне молекул. 3 Проект 1: Земля и вода Мало того, что люди ходят по земле и возделывают на ней поля и сады, они вдобавок строят на ней дома и дороги. Но поверхность земли постоянно изменяется — она высыхает и намокает, проседает вглубь и выпучивается, сдвигается под тяжестью домов и сползает по склонам. Нехватка или избыток воды в почве приводят к неурожаям. Выкачивая воду из водоёмов или подземных водоносных слоёв, люди вызывают проседание почвы и рискуют оказаться без воды в будущем. Кроме изменений, вызванных людьми, бывают и природные изменения. Случай из практики: В Архангельской области на берегу озера много веков стояло богатое село. Люди пасли скот и ловили в озере рыбу. Однажды утром они пришли к озеру и оказалось, что воды в нём нет — вся вода глубокого озера за ночь ушла в подземные полости. Люди покинули это место. Что могло стать причиной подобной катастрофы? Нужно предвидеть изменения земной поверхности в результате хозяйственной деятельности людей. Нужно знать, какие природные процессы происходят в толще Земли, и чем они могут угрожать людям. Можем ли мы что0нибудь узнать об изменениях поверхности Земли, проводя эксперименты в классе или наблюдая за рельефом земли и свойствами почвы? Можем, поставив несложные эксперименты и попробовав объяснить наблюдаемые явления. Как вода перемещается в толще грунта? Как вода влияет на свойства грунта? 4 Размер капель разных жидкостей Эксперимент 10 ì Врачи часто прописывают использовать лекарства, отмеряя их каплями. Насколько точно можно измерить объём вещества таким образом? Всегда ли капли одного вещества имеют один и тот же объём? Одинаков ли объём капель празных веществ? Принадлежности: Одноразовые шприцы на 5мл, жидкости (вода, раствор соли. раствор сахара, одеколон, растительное масло, шампунь), цифровой фотоаппарат, штатив для фотоаппарата. Подготовка: медленно водя иглой шприца по мелкозернистому точильному камню, стачиваем остриё (скошенную часть иглы). Очищаем иглу от пыли и заусенец. Ход эксперимента: Наполняем шприц поочерёдно разными жидкостями — водой из крана, кипячёной водой, минеральной водой, фруктовым соком, водой из аквариума, мыльной водой, шампунем, растительным маслом. Каждый раз (изучая каждую жидкость) очень медленно вводим поршень шприца в трубку, наблюдая за каплей. Жидкость обычно не вытекает из шприца, а сначала образует на игле каплю, которая постепенно увеличивается, а потом быстро вытягивается и отрывается. Потренируйтесь выталкивать жидкость настолько медленно, чтобы можно было отсчитывать капли. Возьмите небольшие одинаковые емкости размером 203 мл (например, крышечки от аптечных флаконов). Заполните каждую ёмкость какой0нибудь жидкостью, считая капли. Сравните, сколько капель каждой жидкости помещается в данной ёмкости. С помощью шприца измерьте объём данной ёмкости и рассчитайте объём капли каждого вещества. Попробуйте сфотографировать капли в момент отделения. Молекулу в толще жидкости молекулы притягивают одинаково во все стороны. Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу: название жидкости — сколько капель этой жидкости поместилось в стандартной ёмкости — объём одной капли жидкости. Вопросы для обсуждения: Казалось бы, вода должна вытекать из шприца струёй. Почему жидкость образует каплю, а не вытекает сразу? Что удерживает молекулы воды вместе? Молекулу на поверхности жидкости притягивают молекулы из толщи жидкости, а спротивоположной стороны её притягивать нечему. 5 Почему до какого0то размера капля сохраняет округлую форму и удерживается на трубке, а после того, как её размер стал больше определённого, капля вытягивается, отрывается и падает? Раз образуется шаровидная капля, значит, какие0то силы сжимают каплю со всех сторон? Или, может быть, какие0то силы внутри капли притягивают к себе воду? Как это может быть связано с молекулярным строением жидкости? Почему жидкости собираются в капли? Попробуйте выпускать капли жидкости из шприца без иглы — изменилось ли количество капель, необходимое для заполнения стандартной ёмкости? Капли смолы сосны на спиленном дереве Чем отличается воздействие соседних молекул на молекулу в толще жидкости от воздействия соседних молекул на поверхности жидкости? Новые слова: Поверхностное натяжение — это величина, характеристика жидкости — работа, которую нужно произвести, чтобы увеличить поверхность жидкости. При температуре 20°С поверхностное натяжение дистиллированной воды примерно в три раза больше поверхностного натяжения спирта, примерно в полтора раза больше поверхностного натяжения раствора хозяйственного мыла, примерно в 7 раз меньше поверхностного натяжения ртути. Пленка поверхностного натяжения — тонкий слой жидкости на границе жидкости и газа. Плёнка поверхностного натяжения совсем не похожа на эластичную плёнку. Если у нас есть натянутая плёнка из резины — надутый или наполненный водой воздушный шарик — то если мы потянем плёнку в каком0нибудь одном месте, плёнка сильнее натянется на всех участках, а в плёнке поверхностного натяжения нет такой передачи напряжения на расстояние: при натяжении плёнки в одном месте, на других участках оно не изменяется. 6 Размер капель разных жидкостей Учебные задачи Материалы для учителя. Исследование 10 Побудить учеников к самостоятельному поиску объяснений явлений поверхностного натяжения. Здесь мы снова обращаемся к свойствам жидкости, которые поверхностно обсуждали в 5 классе. Продолжительность занятия: 30 минут в классе Вопросы для обсуждения: Почему жидкости собираются в капли? Почему они удерживаются на трубке? Как это может быть связано с молекулярным строением жидкости? Казалось бы, вода должна вытекать из шприца струёй. Эта струя, казалось бы, может быть сколь угодно тонкой — не тоньше размера молекулы жидкости. Почему жидкость образует каплю, а не вытекает сразу? Что удерживает молекулы воды вместе? Ранее обсуждались силы, притягивающие молекулы жидкости друг к другу. Каждая молекула жидкости притягивает к себе соседние молекулы и не притягивает далёкие. О чём говорит размер капель? Почему размер капли на игле шприца не достигает, например, размера вишни или сливы? Значит, пока силы, стягивающие молекулы жидкости вместе и притягивающие их к игле, меньше сил, какими каплю притягивает к себе Земля, капля держится на трубке. Почему до какого0то размера капля сохраняет округлую форму и удерживается на трубке, а после того, как её размер стал больше определённого, капля отрывается и падает? Почему капля не квадратная или треугольная, а круглая? Чем отличается шар от куба? В шаре любая точка поверхности находится на таком же расстоянии от центра, как и любая другая точка поверхности. А в кубе углы дальше от центра, чем точки на сторонах. Значит на все точки поверхности шаровидной капли изнутри дейтсвуют одинаковые силы. Если сравнить каплю с воздушным шариком — какие силы действуют на воздушный шарик изнутри? Изнутри на резиновую плёнку давит сжатый воздух. Почему воздушные шарики бывают не только круглыми, но и удлинёнными, в виде зверушек и других причудливых форм? Можно ли из шарика с формой зверушки выдуть сферический воздушный шарик? Нет. Форма воздушного шарика зависит от формы резиновой оболочки. А есть ли какая0то плотная оболочка у капли? У капли оболочки нет — она состоит только из жидкости. Раз образуется шаровидная капля, значит, какие0то силы сжимают каплю со всех сторон одинаково? 7 Молекулу в толще жидкости молекулы притягивают одинаково во все стороны. Молекулу на поверхности жидкости притягивают молекулы из толщи жидкости, а с противоположной стороны её притягивать нечему. 8 Или, может быть, какие0то силы внутри капли притягивают к себе воду? Или собирание в округлую каплю — результат сил, порождаемых каждой молекулой? Чем отличаются условия в толще капли от условий на её поверхности? В глубине капли на любую молекулы силы притяжения других молекул действуют одинаково со всех сторон. Молекула на поверхности жидкости стремится уйти вглубь капли, потому что силы притяжения молекул действуют на неё только с одной стороны. Поэтому поверхность жидкости стремится стать меньше. Но жидкости, в отличие от газов, почти не сжимаются, а значит, объём капли уменьшиться не может. Когда площадь поверхности капли будет наименьшей из всех возможных? Возьмём одинаковые комки пластилина. Слепим из них шар, конус, пирамиду, куб, расплющенную пластинку. Если сравнивать различные фигуры одинакового объёма — куб, пирамиду, шар, любую другую фигуру, — то наименьшая площадь поверхности будет у шара. Поэтому капли стремятся принять форму шара — ведь если на поверхности будут выступы, их втянет в шар, а если вмятины — они будут заполняться молекулами, пока поверхность капли не сгладится. В космическом корабле, в условиях невесомости любая капля принимает форму шара. Но на Земле силы земного тяготения сдавливают каплю. Формы капель на пластинках (смачивание материалов жидкостями) Исследование 11 На жирную стеклянную посуду брызги воды ложатся каплями, а по обезжиренной сбегают струйками. Почему? Чего добиваются люди, натирая кожаную обувь гуталином? Какие способы защитить вещи от намокания традиционно используют жители разных стран и природных зон? Принадлежности: Одноразовые шприцы инсулиновые, жидкости (вода, раствор соли, раствор сахара, растительное масло, раствор спирта, раствор глицерина), кусочки разных материалов с плоской гладкой поверхностью (бумага, парафин, отшлифованная древесина, неструганая древесина, полиэтилен, сталь и т. д.), цифровой фотоаппарат, штатив для фотоаппарата. Ход эксперимента: С помощью шприца наносим капли разных жидкостей на кусочки разных материалов, фотографируем и измеряем капли, описываем форму капель жидкостей на поверхностях разных материалов. Размышляем о том, какие свойства молекул могут быть причиной существования особенностей взаимоотношений капель и твёрдых материалов. Учёт результатов наблюдений: Заполняем таблицу: каждая строка соответствует паре: материал капли — материал пластинки, в этой строке указываем: объём жидкости (1, 2, 3 или 4 капли из шприца в одной капле на поверхности исследуемого материала), соотношение высоты и ширины капли, угол контакта капли и пластинки. Насколько угол контакта зависит от объёма капли? 9 Вопрос для обсуждения: Почему жидкость образует каплю, а не растекается сразу? Как это может быть связано с молекулярным строением жидкости? Почему жидкости собираются в капли? Почему вода на одних материалах собирается в каплю, а на других — растекается? Какая вода содержится в почве: чистая или содержащая в себе растворённые минеральные или органические вещества? Какие компоненты почвы впитывают воду, а какие — отталкивают? Какое отношение результаты ваших наблюдений имеют к объяснению содержания воды в почве? Как сравнить количество воды, падающей во время дождя на листья, с количеством воды, стекающей с листьев на землю. Какой должна быть бумага для рисования акварельными красками? Какой должна быть бумага для рисования гуашевыми красками? Можно ли рисовать акварельными красками по стеклу? Можно ли рисовать гуашью по стеклу? Можно ли побелить клеевой краской кирпич или цемент? Можно ли побелить клеевой краской предмет, который до того был окрашен нитрокраской? Напишите список материалов, которые не смачиваются водой. Напишите список материалов, которые смачиваются водой. Капли дождя на листьях. Когда расплавленное олово смачивает медь? Жидкость, налитая в сосуд, не смачивает его стенки. Если вам доводилось паять, вы знаете, что по окисленной или грязной поверхности медных деталей расплавленный припой не растекется, а если поверхность металла зачистить абразивной шкуркой и обработать флюсом (канифолью, хлористым цинком или другим паяльным флюсом), то расплавленный припой растекается по поверхности металла. Новые слова: Жидкость, налитая в сосуд, смачивает его стенки. 10 Смачиваемый — относится к парам материалов, один из которых жидкость, а другой — твёрдое тело. “Стекло не смачиваемо ртутью” — потому, что молекулы ртути сильнее притягиваются друг к другу, чем к стеклу. Несмачиваемый — относится к парам материалов, один из которых жидкость, а другой — твёрдое тело. “Стекло смачиваемо водой” — потому, что молекулы воды сильнее притягиваются к стеклу, чем к другим молекулам воды. Формы капель на пластинках (смачивание материалов жидкостями) Материалы для учителя. Исследование 11 Учебные задачи: Познакомить детей с явлениями смачиваемости, побудить их к выяснению связи между явлением смачиваемости и процессами, происходящими на молекулярном уровне. Продолжительность занятия: 30 минут в классе Вопросы для обсуждения: Что может придать вещи форму? Внешние силы и внутренние силы. Какие силы действуют на каплю извне? Сила земного притяжения, сила, с которой ей сопротивляется опора, на которой она лежит, сила, с которой её сдавливает воздух со всех сторон. Какие силы действуют внутри капли? Силы взаимного притяжения и отталкивания молекул. Как выяснить, какова роль каждой силы в формировании облика капли? Какой будет форма капли на орбитальной космической станции? Известно, что там капли принимают форму шара. А почему на Земле капли сплюснутые? Какой можно сделать вывод из того, что капли одних веществ сплюснутые, а капли других веществ такого же размера — не сплюснуты? Например, мелкие капли ртути на стекле сферические, а такого же размера капли воды на парафиновой пластинке — сплюснутые. Видимо, в разных веществах силы, действующие внутри капли разной величины. Можно предположить, что молекулы ртути сильнее притягивают друг друга, чем молекулы воды притягивают друг друга. Поэтому в маленькой капле ртути силы взаимного притяжения могут удерживать сферическую форму, а в капле воды — не могут. Почему вода на одних материалах собирается в каплю, а на других — растекается? Ведь притяжение молекул внутри капли и притяжение Земли не зависят от материала пластинок? Потому, что, кроме притяжения Земли, нужно учитывать и притяжение молекул веществ, из которых состоят эти пластинки. Межмолекулярные силы притяжения действуют только на очень маленьких расстояниях. Можно предположить, что молекулы разных твёрдых тел по0 разному притягивают воду и другие жидкости. Как это может быть связано с молекулярным строением жидкости? Если вы вспомните обсуждения: ГлобалЛаб в пятом классе, то сообразите, — что у одних молекул разные концы несут электрический заряд, а у других — не несут, 11 Жидкость, налитая в сосуд, не смачивает его стенки. Жидкость, налитая в сосуд, смачивает его стенки. 12 — молекулы одних веществ состоят из многих атомов, а у других из немногих, — одни вещества состоят из тяжёлых атомов, а другие — из атомов полегче. Почему вода не протекает через водоотталкивающую ткань — ведь между нитями в этой ткани есть поры, которые заведомо крупнее молекул воды? Есть ли поры в почве? Конечно, ведь почва состоит из минеральных частиц. Но эти поры могут быть заполнены сгнившими остатками растений, выделениями растений и животных. Какая вода содержится в почве: чистая или содержащая в себе растворённые минеральные или органические вещества? В почве содержится очень много веществ — растворимые вещества из горных пород, выделения растений, грибов и животных. Какие компоненты почвы впитывают воду, а какие — отталкивают? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть с помощью увеличительного прибора (лупы, бинокулярного микроскопа) образцы разных горизонтов почвы. Какое отношение результаты ваших наблюдений имеют к объяснению содержания воды в почве? Почва удерживает влагу потому, что большинство минеральных частичек и разложившихся и полуразложившихся остатков растений и животных смачивается водой (кроме этого некоторые вещества почвы впитывают воду, удерживают воду в порах и скважинах). Как сравнить количество воды, падающей во время дождя на листья, с количеством воды, стекающей с листьев на землю? Дети должны сами придумать способ измерения. Один из возможных способов — в один и тот же дождь поставить сразу после начала дождя одну миску под деревом, а другую — на открытом месте. Какой должна быть бумага для рисования акварельными красками? Она должна хорошо смачиваться и быть толстой (тонкая бумага сморщивается). Какой должна быть бумага для рисования гуашевыми красками? Она должна смачиваться водой. Можно ли рисовать акварельными красками по стеклу? Легко выяснить, что акварельные краски не смачивают стекло и собираются каплями. Можно ли рисовать гуашью по стеклу? Гуашевая краска ложится на стекло, потому что состав клея в гуашевой краске отличается от состава клея акварельной краски, гуашь гуще и сразу ложится толстым слоем. Можно ли побелить кирпич или цемент? Да, потому что эти материалы смачиваются водой, а побелка для печей состоит из меловой пыли, взвешенной в воде с малым количеством клея. Можно ли покрыть побелкой предмет, который до того был окрашен эмалью? Нет, потому что вода не смачивает эмаль. Научная подоплёка Молекулы жидкости стремятся уйти внутрь жидкости и, таким образом, сократить площадь поверхности контакта с газом потому, что молекулы жидкости практически не притягиваются молекулами газа. Если капля окажется на поверхности твёрдого тела, форма капли будет зависеть от того, что сильнее притягивает молекулы жидкости — другие молекулы жидкости или молекулы твёрдого тела. Если силы, стягивающие молекулы жидкости, меньше сил, стягивающих молекулы жидкости и молекулы твёрдого вещества, то жидкость смачивает твёрдое вещество и капли растекаются по твёрдому телу. Если меньше — то жидкость не смачивает твёрдое вещество и жидкость лежит в виде капель. Если положить на поверхность воды кусочек воска на крючке, а потом поднять воск — воск будет сухим. Молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к воску. Если положить на воду обезжиренную стеклянную пластинку, а потом поднять эту пластинку — она будет покрыта водой. Это значит, что молекулы стекла сильнее притягивают молекулы воды, чем молекулы воды притягивают друг друга. В рамках ГлобалЛаб можно сравнить жидкости и твёрдые тела, используемые в домашнем хозяйстве в разных странах. Наверняка имеют особенности пищевые жиры, посуда для жарки, воска для обработки мебели и обуви, строительные материалы, упаковочные материалы, одежда. 13 Исследование 12 Сообщающиеся сосуды Строители используют инструмент (“строительный уровень”), состоящий из длинного шланга и стеклянных трубок на концах этого шланга. Заполнив этот шланг водой, они смотрят, на какой высоте оказывается вода в трубках. Вытянув шланг, они на вбитых в землю столбах отмечают, где находилась жидкость в трубках, и считают, что две такие метки соединены горизонтальной линией. На каком принципе основано действие строительного уровня? Принадлежности: Одноразовые шприцы разных размеров, прозрачная трубка из силиконовой резины (диаметр — 6 мм), тройники (обычная принадлежность аквариумов), лист фанеры размером примерно 50х50 см с отверстиями для закрепления шприцев резинками, линейки, подкрашенная вода — 100 мл, растительное масло — 50 мл. Ход эксперимента: Расчертить лист фанеры (начертить сетку с клеткой в 2 см). Закрепить вертикально лист фанеры, закрепить на нём шприцы на одной высоте, соединить шприцы с помощью шлангов и тройников, постепенно заливать в один из шприцев воду, наблюдая за уровнем воды на разных участках трубки и шприцев. Прекратить добавлять воду, когда её уровень достигнет середины самого низкого из шприцев. Наблюдать за изменением уровня воды при изгибах трубки или изменениях положения одного из шприцев. Слить воду из системы. Закрепить заново шприцы и трубки. Одновременно наливать воду в шприцы, так, чтобы в трубке оказался пузырь воздуха. Продолжать доливать воду и наблюдать за изменением уровня воды. Как влияет пузырёк в трубке, соединяющей сосуды, на уровень воды в сосудах? С какой скоростью выравнивается вода в сообщающихся сосудах? Самостоятельно спланировать эксперимент и выяснить, что произойдёт, если в один шприц залить воду, а в другой — растительное масло? Самостоятельно спланировать эксперимент и выяснить, влияет ли на уровень воды плавающее в воде твёрдое тело? Учёт результатов наблюдений: 1. Сделать фотографии 2. Написать рассказ об изменении уровня воды в системе сообщающихся сосудов. 14 Вопросы для обсуждения: От чего зависит уровень жидкости в соединённых (сообщающихся) сосудах? В сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне — поверхность жидкости во всех сосудах совпадает с одной и той же горизонтальной плоскостью. Какое отношение наблюдаемые вами факты могут иметь к обеспеченности влагой почвы? Можно ли просветы между песчинками и камнями считать сообщающимися сосудами? В крупный песок вода просачивается быстро. На схеме тёмным отмечен горизонт глины, светлым — песок, серым — колодец, синим — вода в колодце. Что происходит, когда всю воду из колодца вычерпывают? Какое отношение наблюдаемые вами факты могут иметь к содержанию воды в грунте рядом с берегом реки? Рядом с берегом озера? Как уровень нахождения воды в грунте связан с особенностями горных пород? С размером частиц горных пород? Противоречит ли вашим наблюдениям тот факт, что на поверхности воды в водоёмах бывают высокие волны? Можно ли считать лейку и её носик сообщающимися сосудами? Как мы используем свойства сообщающихся сосудов при поливе из лейки? Глина маловодопроницаема Новые слова: Сообщающиеся сосуды — ёмкости, соединённые трубками (любой формы), по которым вода может свободно перетекать из одной ёмкости в другую. Мысленный эксперимент: 1. Вообразите аквариум, полный водой. На одном ли уровне будет поверхность воды? 2. Вообразите, что вы поставили в аквариум брусок, не разделяющий аквариум, — на одном ли уровне будет вода теперь? Есть ли причины, вынуждающие поверхность воды находиться на разной высоте в разных частях аквариума? 3. Вообразите, что размеры бруска увеличиваются. Со временем он разделяет аквариум на две части, сообщающиеся друг с другом только через просвет под этим бруском. 15 4. Ведь всё будет то же самое, если аквариум перегородить стенкой с единственным отверстием. 5. А если эту стенку сделать очень большой и такой формы, что две разделённые части аквариума будут разной формы? Появится ли новая причина, вынуждающая воду находиться на разном уровне? 6. А появятся ли причины, вынуждающие воду находиться на разном уровне, если вместо отверстия в толстой стенке два сосуда будет соединять длинная трубка? 16 Сообщающиеся сосуды Учебные задачи: Материалы для учителя. Исследование 12 Познакомить детей с закономерностями расположения поверхности жидкости — с законом сообщающихся сосудов. Продолжительность занятия: 35 минут в классе (физика). Ход занятия: Собрать экспериментальную установку. Провести эксперимент. Обсудить результаты эксперимента. Вопросы для обсуждения: Как поступает вода в квартиры в многоэтажном доме? Почему она сама течёт из крана? Может ли вода сама по себе течь вверх? Представьте, что на схеме нарисованы согнутые трубы. Красным обозначена пробка, синим — вода, наверху — синие закорючки изображают добавление воды. Если на первой картинке в правое колено заливают вёдрами воду, а левое закрыто пробкой, под которой есть воздушная прослойка — будет ли вода подниматься по левому колену? Она сожмёт воздух, а потом подниматься не будет. Если в левом колене извлечь пробку, будет ли подниматься уровень воды? Да, будет. Можно ли при этом говорить, что вода поднимается сама собой? Нет, поднимают воду, как мы сказали, вёдрами. А в левом колене она поднимается, потому что её вытесняет вода правого колена. Обсудить “мысленный эксперимент” Суть этого эксперимента в том, что интуитивно ясно, что изменение формы и размеров неполной перегородки в ёмкости с жидкостью не привносит новых причин для того, чтобы уровень воды в разделенных перегородкой частях стал различным. В завершении, когда перегородка станет превосходить по объёму емкости с жидкостями, можно допустить, что эти ёмкости составляют лишь углубления в этой перегородке. 17 Так понемногу детей можно знакомить с топологической интерпретацией ситуации: геометрия меняется, а топология нет. И оказывается, что для рассуждения в этом случае важна только топология: между двумя шприцами, связанными шлангом, и аквариумом, разделённым дырявой фанеркой, топологических различий нет а. Вообразите аквариум, полный водой. На одном ли уровне будет поверхность воды? б. Вообразите, что вы поставили в аквариум брусок, не разделяющий аквариум, — на одном ли уровне будет вода теперь? Есть ли причины, вынуждающие поверхность воды находиться на разной высоте в разных частях аквариума? в. Вообразите, что размеры бруска увеличиваются. Со временем он разделяет аквариум на две части, сообщающиеся друг с другом только через просвет под этим бруском. 4. Ведь всё будет то же самое, если аквариум перегородить стенкой с единственным отверстием. 5. А если эту стенку сделать очень большой и такой формы, что две разделённые части аквариума будут разной формы? Появится ли новая причина, вынуждающая воду находиться на разном уровне? В сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне — поверхность жидкости во всех сосудах совпадает с одной и той же горизонтальной плоскостью. Обсудить проявления этого закона в размещении жидкости в грунте. Если на песчаном пляже вырыть яму — наполнится ли она водой? Если наполнится — почему не сразу? Для передвижения жидкости нужно время — закон не утверждает, что поверхность жидкости устанавливается сразу. Говорится, что она устанавливается. Через песок вода просачивается медленно, через тонкий шланг побыстрее, а через широкую трубу — ещё быстрее. Почему колодцы заполняются водой? Почему колодцы заполняются водой не сразу? (В водопроницаемом грунте вода стремится просочиться вниз, до тех пор, пока не обопрётся на водонепроницаемый слой. Над этим слоем она растекается так, что её верхняя поверхность становится 18 горизонтальной. На этом основано дренирование сырых грунтов — в грунте выкапывают канавы, по которым вода уходит с участка и уровень воды в почве стремится понизиться до уровня воды в канаве. Обсудите использование этого свойства жидкости при сооружении водопровода (вода поднимается в ёмкость на водонапорной башне, а оттуда она самотёком сама поступает в водопроводные трубы домов, которые ниже водонапорной башни). Расскажите об известных уже в древности акведуках: мостах и каменных желобах, по которым текла вода на десятки километров — от источника до города. 19 Исследование 13 Уровень жидкости в капилляре Может ли жидкость сама подниматься вверх? Принадлежности: Прозрачные трубки из разных материалов и разных диаметров (стеклянные, пустые стержни от шариковых и гелевых ручек, капилляры сделанные из пустых стержней от ручек или соломинок для напитков, посредством их растягивания над пламенем свечи и т. п. ). Стеклянные пластинки, пластинки из органического стекла, прозрачные банки, прозрачные аптечные флаконы, пластилин, полоски из пластмассы, металлической фольги, промасленной бумаги, конторские прищепки. Желательно — штангенциркуль для измерения толщины прокладок. Примечание: в качестве стеклянных пластинок могут быть использованы предметные стёкла для микроскопов, в стекольной мастерской вам могут нарезать полоски из отходов — объясните стекольщику, что полоски нужны вам для школьных опытов. Перед использованием затупите острые края стеклянных пластин, проведя по краям стекла мокрым мелкозернистым бруском для заточки ножей. Два предметных стекла для микроскопа сжаты канцелярской прищепкой. Справа между стёклами лежит полоска картона, вырезанная из пакета для молока — таким образом расстояние между стёклами справа налево постепенно сходит на нет. Стержни от шариковой и гелевой ручек, погруженные в растительное масло. Масло налито во флакон от лекарств (“пенициллиновый пузырёк”). Ход эксперимента: Скрепите зажимами попарно стеклянные пластинки так, чтобы между ними было разное расстояние — в одной паре — 0, 1 мм, в другой — 0, 2 мм и т. д. Для обеспечения точного расстояния между 20 пластинами можно вкладывать между ними по краям узкие полоски разных материалов (металлической фольги, пластмассовой плёнки или пластмассовых листов, промасленной бумаги). Налив в банку воду, погрузите в воду вертикально сжатые попарно пластины. Сфотографируйте их. Нарисуйте поверхность воды в трубках и между пластинок. Повторите опыт с другими жидкостями. Учёт результатов наблюдений: Сделайте фотографии трубок разных диаметров, одновременно погруженных в жидкость. Сделайте фотографии пластинок, погруженных в жидкость. Расскажите своими словами об уровне жидкости в трубках и между пластинками. Заполните две таблицы: 1. Диаметр трубки, уровень жидкости в трубке отличается от уровня жидкости в банке на ___ мм. 2. Просвет между пластинками, уровень жидкости между пластинками отличается от уровня жидкости в банке на ___ мм, самое высокое положение воды выше самого низкого на __ мм. Вопросы для обсуждения: Что вынуждает жидкость подниматься вверх? Жидкость поднимается мгновенно или на это уходит какое0то время? Можно ли сказать, что жидкость поднимается “сама”? Какие силы действуют на жидкость в капилляре? Что произойдёт, если трубки опускать в жидкость не вертикально, а наклонно? Действуют ли эти силы в трубках большого диаметра? Почему жидкость не поднимается сама в трубках большого диаметра? Какие характеристики трубок важны для подъёма жидкости? Ведь в опыте с парой стёкол просвет между стёклами может быть широким в одном направлении? Какое отношение имеют сделанные наблюдения к обеспеченности влагой почвы? Ведь в почве нет ни стеклянных пластинок, ни стеклянных трубок. Вогнутый мениск Новые слова: Мениск — искривлённая поверхность жидкости в трубке. Измеряя объём жидкости с помощью химической пипетки или мерного цилиндра, нужно замечать, по какой линии вы учитываете объём жидкости: по верхнему или по нижнему краю мениска. Выпуклый мениск Капилляр — узкая трубка, расщелина или скважина с просветом менее 1 мм. (От латинского слова “капилля” — волос, в старой физической литературе вместо слова “капиллярный” использовали слово “волосной”) 21 Материалы для учителя Исследование 13 Уровень жидкости в капилляре Образовательная цель: Познакомить учеников с капиллярными явлениями. Отработать исследовательские навыки, необходимые для сравнения свойств разных материалов. Продолжительность занятия: 35 минут в классе План занятия: На нескольких столах нужно положить необходимое оборудование. За каждым столом работают 405 человек, стоя. Ещё один сидит за соседним столом и под диктовку соучеников ведёт записи. Вопросы для обсуждения: Поставить эксперимент. Что вынуждает жидкость подниматься вверх? Можно ли поднятие жидкости в капилляре сравнить с втягиванием жидкости шприцем? Если поверхность воды всегда горизонтальна (просто потому, что если появляется впадина, в неё сразу же затекает вода с боков, а если появляется выступ, вода сразу скатывается вниз. Если в капилляре жидкость оказывается выше уровня жидкости вокруг капилляра, значит на неё действуют какие0то силы, привнесённые самим капилляром. Ну не чудо ли это — поставили в жидкость трубку и жидкость поднялась? Какие это могут быть силы? Действуют ли эти силы в трубках большого диаметра? Нет, в трубках большого диаметра жидкость не поднимается. Значит эти силы связаны именно с малым просветом в капиллярах. Жидкость, смачивающая материал капилляра, поднимается в капилляре, а жидкость не смачивающая — опускается ниже исходного уровня. Из этого можно сделать вывод, что явление капиллярного подъёма связано с силами межмолекулярного притяжения. В капиллярах отношение длины контакта жидкости и стенки трубки к площади поверхности трубки гораздо больше, чем в широкой трубке, а значит вклад сил, возникающих на границе раздела газ0 жидкость0твёрдое тело гораздо больше. Почему жидкость не поднимается сама в трубках большого диаметра? Жидкость поднимается мгновенно или на это уходит какое0то время? Можно ли сказать, что жидкость поднимается “сама”? Что произойдёт, если трубки опускать в жидкость не вертикально, а наклонно? 22 Какие характеристики трубок важны для подъёма жидкости? Ведь в опыте с парой стёкол просвет между стёклами может быть широким в одном направлении? Какое отношение имеют сделанные наблюдения к обеспеченности влагой почвы? Ведь в почве нет ни стеклянных пластинок, ни стеклянных трубок. Научная подоплёка: Проводя наблюдения над разными сочетаниями жидкостей и материалов капилляров, ученики выясняют, что если жидкость смачивает стенки трубки, то она поднимается над уровнем жидкости в сосуде (тем выше, чем тоньше просвет капилляра). Мениск в этом случае вогнутый. h — высота поднятия жидкости σ — поверхностное натяжение R — радиус трубки d — плотность жидкости g — ускорение свободного падения Если жидкость не смачивает стенки капилляра, то уровень жидкости оказывается ниже, чем в сосуде, в который погружен капилляр. При этом, чем тоньше просвет капилляра, тем ниже уровень жидкости в капилляре. Мениск в этом случае выпуклый. Ученики выясняют, что высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем больше поверхностное натяжение жидкости (чистая вода поднимается выше, чем солёная вода в таком же капилляре). Примерно оценить поверхностное натяжение в разных жидкостях ученики могли, измеряя объём капель в опытах со шприцем (исследование 1011). Высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем меньше просвет трубки. Высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем меньше плотность жидкости. Высота поднятия жидкости в капилляре тем больше, чем больше поверхностное натяжение жидкости. На основании этих заивсимостей ученики могут полуколичественно (на уровне больше0меньше) сравнивать поверхностное натяжение разных жидкостей, используя одинаковые капилляры. Положите в стеклянный стакан с водой кусок школьного мела. Из него, по всей видимости, пойдут пузыри воздуха. Почему? Потому что мел пористый, когда он попадает в воду, вода втягивается в поры (капилляры), вытесняя воздух. Положите в воду кусок пемзы. Пузырей воздуха почти не будет потому, что пемза состоит из замкнутых пузырьков с каменными стенками, не сообщающихся друг с другом. Два предметных стекла для микроскопа, сжатые канцелярской прищепкой. С одной стороны — между стёклами полоска, вырезанная из пакета от молока. В банке — вода, подкрашенная чернилами для авторучки. 23 Исследование 14 Движение жидкости в капиллярах грунта и строительных материалов Строители, сооружая фундаменты и стены, стремятся защитить стены от увлажнения (ведь сырая стена хуже сохраняет тепло, при промерзании сырая кирпичная стена разрушается из0за распирания льдинками). Строители кладут слой водонепроницаемых материалов между подземной частью фундамента и надземной, между надземной частью фундамента и стенами. Почему они опасаются поступления влаги из почвы в стены? Каковы особенности движения воды в строительных материалах традиционных построек в разных природных зонах? Принадлежности: Цилиндрические пластиковые бутыли объёмом 1 л, пробы грунта окрестностей вашей школы (песок, супесь, суглинок, лёсс, подстилка, глина) — занимающие 800 мл, будучи утрамбованы, Кирпичи (1 крупнопористый и 1 мелкопористый, пластинка из бетона, пластинка из гипса). Деревянная плашка. Поддоны (миски, тазики) Ход эксперимента: Возьмите пластиковые бутылки по числу проб грунта, ножницами срежьте верхушки, в доньях бутылей гвоздём пробейте отверстия (в каждой бутыли по 20 отверстий размером примерно 1 мм), туго0туго набейте в каждую бутыль сухой грунт и утрамбуйте его деревянной толкушкой). Залейте в поддоны воду, чтобы во всех поддонах глубина слоя воды была 3 см. Несколько наблюдателей засекают время и одновременно ставят бутыли и кирпичи в поддоны. Первое, что нужно зарегистрировать, это через какой промежуток времени намокнет грунт в бутылях на высоту уровня воды в поддонах. Второе, что нужно выяснить,— до какой высоты поднимется вода в каждой из проб грунта и за какое время. (По мере впитывания воды грунтом, в поддоны нужно доливать воду, чтобы уровень её был около 3 см). Учёт результатов наблюдений: Заполнить таблицу: материал — срок отсыревания материала до уровня воды в поддоне, срок отсыревания материала на высоте 10 см, — высота отсыревания материала через 1, 2, 3, 24 часа. Вопросы для обсуждения: В каком грунте и насколько высоко поднимается вода? Как способность воды подниматься в грунте может быть использована при поливе растений в горшках? Как способность воды подниматься в грунте может влиять на снабжение водой растений в лесах, а лугах и на полях? Как способность воды подниматься в грунте, кирпичах и бетоне нужно учитывать при строительстве? 24 Полевые исследования Изучите дома в окрестностях школы и на месте отдыха в выходные дни — каким образом стены увиденных вами домов защищены от поступления влаги из почвы. Посмотрите на строящиеся дома и постарайтесь обнаружить гидроизоляцию между фундаментом и стенами. Составьте список материалов, из которых строят дома в вашей местности сейчас и 200 лет назад, напишите, какое количество осадков выпадает в ваших краях в разные месяцы. Сопоставьте свои данные и данные других участников ГлобалЛаб и объясните, почему в той или иной стране используют те или иные строительные материалы. Скажите, как изменилась ситуация за 200 лет и почему. 25 Материалы для учителя. Исследование 14 Движение жидкости в капиллярах грунта и строительных материалов Учебные задачи: Приобрести опыт самостоятельного изучения физических свойств материалов. Познакомиться с практическим значением капиллярного подъёма воды в использовании зданий. Продолжительность занятия: 25 минут во время урока географии и подходить по несколько раз в этот и последующие дни Вопросы для обсуждения: В каком грунте и насколько высоко поднимается вода? Как способность воды подниматься в грунте может быть использована при поливе растений в горшках? Как способность воды подниматься в грунте может влиять на снабжение водой растений в лесах, на лугах и на полях? Как способность воды подниматься в грунте, кирпичах и бетоне нужно учитывать при строительстве? В каких случаях свойства грунта имеют жизненно важное значение для людей? Когда люди планируют строительство домов, мостов и дорог, когда планируют сельскохозяйственное использование территории. Когда важно не ошибиться? Когда принимают решения, последствия которых будут сказываться в течение десятков и даже сотен лет. На что влияет содержание влаги в почве? На отсыревание домов, на доступность влаги для растений. Когда вода, содержащаяся на глубине, влияет на дома и посадки растений? Когда она может подниматься вверх — до фундамента и стен домов, до корней растений? Научная подоплёка: Чем плотнее грунт и чем уже скважины и поры между частичками грунта, тем выше поднимается по нему вода. Величина капиллярного поднятия влаги для крупных, средней крупности и мелких песков равна 0,3 0 0,7 м, для пылеватых песков и супесей — 0,5 м, для суглинков — 3 0 6 м. Строители, чтобы предотвратить всасывание почвенной влаги деревянными и кирпичными стенами, издавна изолируют подземную часть здания от надземной — когда0то берестой и смолой, позже — битумом, теперь — синтетическими материалами. В старых домах этот слой гидроизоляции может быть разрушен, поэтому стены сыреют. При промерзании стен льдинки в капиллярах кирпича расширяются и распирают керамические стенки — кирпич крошится. Капиллярный подъём влаги вверх по кирпичной кладке достигает почти полуметра, а если в составе кирпичных или бетонных стен есть хлористые соли — влага может подняться до 203 этажа Так сырость из подвалов переходит в жилые помещения. 26 Удержание жидкости в трубке Исследование 15 Аквариумисты подбирают сор со дна аквариума с помощью стеклянной трубки. Закроют пальцем верхнее отверстие трубки, погрузят вертикально трубку в аквариум, поставят трубку на сор, на мгновение откроют верхнее отверстие, чтобы в трубку вошло немного воды вместе с сором, опять затыкают сверху трубку и выносят её из аквариума. Открывают верхнее отверстие и вода вместе с сором выливается в раковину. Какие явления используют аквариумисты в этой процедуре? Принадлежности: Стеклянные и пластиковые трубки разного диаметра и длины. Подкрашенная вода, растительное масло, глицерин, густая жидкость для мытья посуды. Ход эксперимента: Опустить в бутыль с жидкостью трубку, закрыть её верхнее отверстие, вынуть трубку из воды, выяснить, выливается она или нет, открыть верхнее отверстие, посмотреть, вся ли жидкость выльется — если не вся, измерить высоту Учёт результатов наблюдений: Заполнить таблицы Жидкость — диаметр трубки — материал трубки — высота столба жидкости, который удерживался в трубке закрытой сверху — высота столба жидкости, который удерживался в открытой сверху трубке Вопросы для обсуждения: Любой ли высоты столб жидкости можно удерживать в трубке с закрытым верхним отверстием? Если существует максимальная высота удерживаемого столба жидкости — зависит ли она от диаметра трубки, от удельного веса жидкости, от её способности смачивать материал трубки? Какая сила заставляет жидкость вытекать из трубки? Какая сила удерживает жидкость в трубке? Если низ трубки сузить — изменится ли от этого высота столба жидкости, удерживаемого трубкой? Как мы можем зарегистрировать момент, когда сила, заставляющая вытекать воду из трубки, становится равной силе, удерживающей воду в трубке? Какое отношение к удержанию воды в почве имеют наблюдаемые вами явления? Разыщите поилку для домашних животных (маленькую, из тех, что ставят в клетках птиц). Исследуйте, как она работает. Постарайтесь объяснить, почему вода не вытекает из неё сразу и почему вытекает по мере расходования. 27 Удержание Материалы для учителя. Исследование 15 Учебные задачи: жидкости в трубке Подвести детей к проблеме сравнения одновременного действия на тело разных сил, направленных в разные стороны Продолжительность занятия: 25 минут в классе (физика) Вопросы для обсуждения: Предложить детям поставить эксперимент (хорошо если в классе есть набор трубок разного диаметра из разных материалов) — предложить каждому поставить опыт с разными трубками. Потом спросить, какие силы действуют на воду в открытой сверху трубке. Дети уже знают о существовании силы тяжести. Спросить, действует ли сила тяжести на стакан, стоящий на столе. Спросить, почему стакан не движется — ему препятствует стол. Спросить, что препятствует вытеканию воды из трубки, закрытой сверху. Ведь снизу трубка открыта. Предоставить детям возможность обсудить это друг с другом. Если кто0то догадается, что ситуация похожа на всасывание воды шприцем, обратить внимание на то, что в шприце поршень смещается, а в вашем случае пробка (палец) неподвижна. Задать наводящий вопрос: может ли воздух удерживать воду снизу. Это предположение противоречит интуиции — ведь воздух не может подобно пробке удержать воду от стекания вниз. Предложить наклонять трубку (стеклянную, большого диаметра) с невысоким (203 см) столбом жидкости, переводя из вертикального положения в горизонтальное (трубка закрыта сверху). Дети увидят, что в какой0то момент вода вытекает. Предложить указать, в какой именно момент вытекает вода. Предложить выяснить, можно ли удержать воду в трубке, если над ней нет воздуха и вода касается пробки (пальца). Предложить втянуть шприцем воду из чашки. Предложить вытягивать поршень из шприца, зажав пальцем носик шприца, (на который насаживают иголку). Что заставляет воду поступать в шприц? Предложите детям сформулировать вопрос, как узнать, притягивает ли поршень шприца воду, подобно магниту. Любой ли высоты столб жидкости можно удерживать в трубке с закрытым верхним отверстием? Сведения из справочников: Около 75 см ртути, около 10 метров воды. Какая сила заставляет жидкость вытекать из трубки? Сила тяжести. Какая сила удерживает жидкость в трубке? Когда верхнее отверстие закрыто, снизу на жидкость давит атмосфера (весом столба воздуха) и сила притяжения молекул жидкости молекулами стенок трубки. 28 Когда верхнее отверстие открыто — только сила притяжения молекул жидкости молекулами стенок трубки. Как мы можем зарегистрировать момент, когда сила, заставляющая вытекать воду из трубки, становится равной силе, удерживающей воду в трубке? Когда жидкость перестаёт вытекать Какое отношение к удержанию воды в почве имеют наблюдаемые вами явления? Вероятно, при определённых условиях, вода может не просачиваться вглубь почвы, зависая в капиллярах верхних слоёв почвы. Что при поливе происходит с водой в почве в горшке с комнатным растением? Она стекает вниз, влекомая силой тяжести (ведь скважины почвы не закрыты сверху), в почве задерживается столько, сколько удерживают молекулы твёрдой фазы почвы. Новые слова: Фазы почвы — жидкая, твёрдая, газообразная. 29 Исследование 16 Прилипание к поверхности жидкости Принадлежности: Ровные и гладкие пластинки одинакового размера из стекла (предметные стёкла), металла (тонкая жесть), пластмассы. Вода, растительное масло, раствор соли. Равноплечие весы. Набор разновесов. Изготовление принадлежностей: Загнуть остриё конторской кнопки, чтобы получился крючок (это можно сделать, положив кнопку на металлическую пластинку шляпкой, прижать сбоку к острию тонкий гвоздь (диаметром 102 мм), легким ударом молотка согнуть остриё вокруг гвоздя и вынуть гвоздь. Взять пластинки (предметное стекло, безопасную бритву, иные подручные предметы) и, следуя инструкции на упаковке клея, приклеить ровно в середине каждой из пластин по кнопке с крючком. Ход эксперимента: 1. Прицепить крючок пластинки к весам. 2. Уравновесить весы гирьками. 3. Подвести под пластинку банку. 4. Наливать в банку воду, пока пластинка не окажется на воде. 5. Подсыпать в чашку весов мелкие частички (песок, поваренную соль и т. д. ), пока пластинка не оторвётся от воды. 6. Снять с весов пластинку и взвесить дозу песка, оторвавшую пластинку от воды. 7. Повторить опыт, добавив в воду каплю шампуня. Повторить опыт с разными жидкостями и пластинками из разных материалов. Учёт результатов наблюдений: Сфотографировать установку. Написать о прохождении опыта. Заполнить таблицу: характеристика пластинки (материал, размер), характеристика жидкости (вода, вода со спиртом, вода с шампунем), вес, необходимый для того, чтобы оторвать пластинку от жидкости. Вопрос для обсуждения: Можно ли с помощью этого эксперимента сравнивать способность молекул разных жидкостей притягивать молекулы твёрдых тел? Как? Можно ли с помощью этого эксперимента сравнивать способность молекул разных твёрдых тел притягивать молекулы жидкостей? Как? 30 Прилипание к поверхности жидкости Учебные задачи Развитие способности детей к истолкованию результатов эксперимента и планированию экспериментов. Материалы для учителя. Исследование 16 Продолжительность занятия: 25 минут в классе (физика) Вопросы для обсуждения: Вы сравнили силу, с которой притягивает вода пластинки из разных материалов. О чём свидетельствуют результаты измерений? Свидетельствуют ли они о том, что, независимо от материала, вода одинаково удерживает пластинки разного размера? Помогают ли они сравнить какую0либо характеристику материалов, из которых сделаны пластинки? Если у пластинок равная площадь — значит ли это, что их касается одинаковое количество молекул воды? Почему для измерения очень важно, чтобы пластинки были гладкими (полированными) и ровными (без изгибов и вмятин)? Одинаковое ли количество молекул воды приходится на каждую молекулу материала пластинки во время касания? Вы сравнили силу, с которой притягивают разные жидкости пластинки из одного и того же материала. О чём свидетельствуют результаты измерений? Позволяют ли они сравнить свойства разных жидкостей? От чего больше зависит прилипание пластинки к жидкости — от материала или от жидкости? Чем отличается сила прилипания в случае если жидкость смачивает материал пластинки и в случае, если жидкость не смачивает материал пластинки? Что нужно знать, чтобы рассчитать силу, с которой одна молекула жидкости притягивает одну молекулу материала пластинки? 31 Исследование 17 Слипание мокрых поверхностей Замки из мокрого песка удерживают сложную форму, а из сухого песка можно насыпать только кучу. Почему мокрый песок так отличается своими свойствами от сухого? Что происходит в месте контакта двух соседних песчинок в куче мокрого и в куче сухого песка? Принадлежности: Пластинки из стекла (предметные стёкла), к которым приклеены крючки. Транспортир. Ход эксперимента: 1. Положите одно предметное стекло с крючком на другое такое же. Держа нижнее стекло за крючок над куском поролона, наклоняйте его, в другой руке держите транспортир. При каком угле наклона верхнее стекло скатится с нижнего? 2. Повторите опыт, намочив стёкла спиртом. 3. Повторите опыт, намочив стёкла водой. 4. Если стекло не отлипает от другого, зацепите за крючок того стекла, которое вы не держите в руках, нитку с петлёй, привяжите к этой петле полиэтиленовый пакетик и насыпайте в него песок, пока стекло не оторвётся от другого стекла. Взвесьте пакетик с песком. чтобы выяснить, какой вес понадобился для того, чтобы оторвать пластинку. 5. Повторите опыт, погрузив оба стекла в таз с водой. Учёт результатов наблюдений: Сфотографировать установку. Написать о прохождении опыта. Заполнить таблицу: угол наклона, при котором одно стекло скатывается с другого — жидкость. Вопрос для обсуждения: Водные растения, если их поднять из воды, слипаются в ком. Жаберные лепестки рыб под водой выглядят как гребёнка, а у мёртвой рыбы на кухне это слипшаяся кайма. Мокрые волосы труднее расчесать, чем сухие. Листы мокрой бумаги слипаются. Чтобы получше рассмотреть водное растение нужно опять опустить его в воду, а разделить стопу слипшихся листов на отдельные листы лучше, погрузив всю бумагу в воду. Какую роль в жизни водных животных и растений играет наблюдаемое явление? Почему оползни случаются после сильных дождей? 32 Слипание мокрых поверхностей Учебные задачи Материалы для учителя. Иссле дование 17 Ознакомиться со слипанием смоченных твёрдых тел в окружении воды и воздуха. Продолжительность занятия: 10 минут в классе Вопросы для обсуждения: Какие силы действуют на стеклянную пластинку, которая лежит поверх такой же горизонтальной? Сила тяжести. Куда направлена сила тяжести? Вертикально вниз. А почему верхняя пластинка начинает соскальзывать, когда нижнюю наклоняют? Ведь сила тяжести по0прежнему направлена вниз. Почему направление движения не сопадает с направлением действия силы? Какие силы замедляют соскальзывание? Вообразите, что вместо двух полированных стеклянных пластинок у нас две шероховатые. Чем будет отличаться движение? Нужно проверить. По всей видимости — смещение верхней пластинки произойдёт при большем угле наклона Сила трения замедляет или предотвращает соскальзывание. Чем обусловлена сила трения? Иногда тем, что мелкие выступы, шероховатости предметов цепляются друг за друга. Иногда (если поверхности очень гладкие) — притяжением молекул касающихся пластинок. А почему не сразу соскальзывают полированные стеклянные пластинки? Какое рассуждение кажется вам правдоподобным: 1. Вода, оказавшись между двумя пластинками, уменьшает трение, поскольку шероховатости пластинок разделяются слоем воды и не цепляются друг за друга. 2. Вода, оказавшись между двумя пластинками, увеличивает трение потому, что молекулы воды притягиваются и к одной пластинке, и к другой. Через посредничество молекул воды молекулы твёрдых материалов притягиваются сильнее, чем через воздушный зазор. Вы видели, что мокрые волосы слипаются, сухие чистые не слипаются, а в воде даже длинные волосы расходятся во все стороны. Почему? Мокрые песчинки слипаются, а сухие — нет. Почему? Чем отличаются свойства песка в мокрой куче на берегу и в такой же куче под водой? Если жидкость благодаря притяжению между молекулами скрепляет твёрдые тела, то зачем в подшипники велосипедов и подвижные соединения автомобилей заливают смазочное масло? 33 Смазочное масло состоит из многоатомных молекул, противоположные концы которых отличаются свойствами так, что молекулы смазочного масла располагаются попарными слоями, при этом молекулы внутри слоя притягиваются друг к другу гораздо сильнее, чем два слоя друг к другу. Один такой слой скользит по другому. Почему сила, сцепляющая мокрые волосы, действующая когда голова окружена воздухом, не действует, когда голова погружена в воду? Научная подоплёка: Этот опыт может быть затравкой для обсуждения: вопроса о важности измерений и количественных характеристик процессов. Два рассуждения (см.выше) звучат одинаково правдоподобно, но действительности соответствует лишь одно из них. Какое именно — можно узнать лишь с помощью измерений, но чтобы знать, что измерять, нужно предложить гипотезы о возможных результатах (пусть они и не получат подтверждения потом, сначала они заставляют внимательнее обсудить проблему). 34 Жидкость в волокнистых материалах Исследование 18 Может ли вода сама подниматься вверх? Вопреки силе тяжести? Можно ли удержать в капиллярах жидкость, не дав ей стечь вниз и замедлив исперение? Принадлежности: Фильтровальная бумага, глянцевая бумага, бумага, отмытая от клея (для того, чтобы отмыть от клея, листок бумаги выдерживают в воде несколько дней — каждый день воду сменяют свежей). Ход эксперимента: 1. Вырежьте из бумаги разных сортов, синтетической и хлопчатобумажной ткани, полосы размером 2х10 см, возьмите кусочки верёвок, свитых из разных волокон, скрутите фитиль из ваты. Закрепите эти ленты, верёвки и фитили на листе водоотталкивающего материала (например, плотного пластика папки для бумаг). Наблюдайте за ходом увлажнения разных материалов с секундомером в руках, отметьте, спустя какое время каждая из полос оказалась увлажнённой до верху. По каким полосам влага не поднималась вовсе. 1. Шерстяная нить Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу: строкаи: материал — столбцы: на какую высоту поднялась вода через 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 минут 2. Хлопковая ткань Вопрос для обсуждения: Что происходит с водой при вытирании рук полотенцем? В пламени свечи сгорает испарившийся воск или парафин. Он плавится уже горящим огнём и поднимается по фитилю. Почему фитиль свивают из нитей, а не делают из металлической палочки? Какие листья на лесной почве лучше защищают почву от высыхания: слежавшиеся зимой под тяжестью снега, или лежащие рыхлым слоем? Сфагновые мхи — живые полотенца Сфагновые мхи удерживают много воды благодаря тому, что в их листьях есть специальные клетки0цистерны с порами. Благодаря чему вода входит в эти цистерны? При каких условиях она выходит из цистерн? 3. Схема листа сфогнового мха: зелёным отмечены живые клетки, серым — клетки, запасающие воду. 35 Материалы для учителя Исследование 18 Жидкость в волокнистых материалах Учебные задачи: Ознакомить с практически важным явлением капиллярного подъёма жидкости в волокнистых материалах. Продемонстрировать совместное действие на жидкость двух сил — силы тяжести и силы межмолекулярного притяжения. Продолжительность занятия: 10 минут в классе или дома. Вопросы для обсуждения: Капилляр не обязательно должен быть трубкой круглого сечения — он может быть узким и широким, ветвящимся и неветвистым, с одинаковым размером просвета на всём протяжении или с изменяющимся размером просвета. Капилляры можно сделать, свивая волокна или переплетая их. Капилляры можно сделать из стопки листовых материалов, разделяя их тонкими прокладками. Капилляры волокнистых материалов используют для подачи жидкости — так горячий воск поднимается вверх по фитилю свечи, а в приспособлении для полива цветов в горшках по жгуту из ткани вода медленно поступает из банки в почву горшка. Капилляры используют для осушения — махровые и вафельные полотенца, бумажные салфетки и ветошь впитывают и удерживают жидкости. Иногда полезным оказывается неспособность капилляра всасывать жидкость, которая его не смачивает: так волос северного оленя представляет собой трубку — он пустой внутри. Он пропитан жиром, и когда олень переправляется через реку, он не смачивается водой и не впитывает её — волосы работают как поплавки. Иногда капилляры внутри материала делают его уязвимым — так капиллярные трубки, из которых состоит древесина, с одной стороны обеспечивают ценные свойства древесины (малую теплопроводность и лёгкость), а с другой — облегчают её намокание. 36 Хроматография Исследование 19 С одинаковой ли скоростью перемещаются по капиллярам молекулы разных размеров? Ответ на эти вопросы важен не только для жизни растений, но и для исследования состава смесей химических веществ. Хроматография — метод разделения и сортировки молекул Раз молекулы разных размеров и разного состава переносятся растворителем по капиллярам с разной скоростью, можно подобрать такие растворители, которые какое0то нужное нам вещество будут переносить быстрее или медленнее других веществ в имеющейся у нас смеси. Так, например, можно разделить смесь белков или других органических веществ, содержащихся в живых организмах и выделить одно единственное вещество, очень нужное нам — например лекарственное вещество из смеси веществ, выделенных из растения. Принадлежности: Фильтровальная бумага Чернила для перьевой ручки (чёрные и синие), неводостойкие фломастеры Ход эксперимента 1. Вырежьте полосу фильтровальной бумаги. В 1 см от одного её конца нанесите небольшие точки чёрными и синими чернилами для авторучки (окуните в чернила спичку и, когда капля чернил стечёт со спички, коснитесь спичкой фильтровальной бумаги), неводостойкими фломастерами. Вертикально установите эту полосу (приколов кнопкой к вертикальной дощечке) так, чтобы её низ касался дна крышечки от пластиковой бутылки. Аккуратно из шприца налейте на дно этой крышечки воду так, чтобы пятно было выше уровня воды. Если у нас есть образцы разных веществ и нам нужно установить, какие из этих веществ находятся в смеси, мы можем разогнать на одном листе бумаги несколько капель — каплю смеси и капли образцов. Сравнив положение пятен, получившихся под каплей смеси, с пятнами под каплями образцов, мы можем выяснить, какие из веществ, содержавшихся в образцах, есть и в смеси. А вырезав кусочки бумаги с пятнами, мы получим чистые вещества из смеси. 2. Взять 2 полосы фильтровальной бумаги. Нанести на неё черту кисточкой, смоченной чернилами для авторучек. Дать бумаге подсохнуть. Разместить вертикально так, чтобы низ каждой полосы касался дна блюдца. Налить в одно блюдце воду, а в другое — спирт. Наблюдать за движением жидкости и чернил по бумаге. 37 Вопросы для обсуждения: Корни растений постоянно выделяют в почву различные органические вещества. Бактерии и грибы выделяют в почвенный раствор органические вещества, нужные им для разрушения их пищи, и отходы своей жизнедеятельности — органические и минеральные вещества. Некоторые из этих веществ могут быть усвоены корнями растений. Какие явления, похожие на наблюдавшиеся вами в эксперименте с хроматографией, могут происходить в почве? Что вы можете сказать о составе смеси, при разделении которой получилась такая хроматограмма (а, б и в — обозначения капель трёх чистых веществ)? 38 Хроматография Учебные задачи Материалы для учителя Исследование 19 Познакомить детей с принципом метода хроматографии. Продолжительность занятия: 20 минут в классе Вопросы для обсуждения: С одинаковой ли скоростью поднимаются разные жидкости по одинаковым капиллярам? Если по капиллярам поднимается жидкость, в которой присутствуют молекулы других веществ, будут ли они подниматься вверх? А будет ли опускаться вода вниз по капиллярам фильтровальной бумаги? Что важнее в движении растворителя — сила тяжести или силы межмолекулярного притяжения? Какие молекулы будут перемещаться в толще фильтровальной бумаги быстрее — из нескольких атомов или из десятков атомов? Сколько атомов в молекуле воды? Узнайте с помощью Интернета, сколько атомов в молекуле белка кератина, из которого состоят ногти — единицы, десятки, сотни? Узнайте в Интернете, сколько атомов в молекуле белка яичного альбумина? Научная подоплёка: Скорость передвижения молекул по капиллярам зависит от размера молекул, их формы, распределения электрического заряда по молекуле, от свойств растворителя и свойств носителя. Хроматография в условиях школы может ставиться на бумажном носителе (полосах фильтровальной бумаги), в колонках (трубках), набитых крахмалом или в тонком слое крахмала, нанесенного на стеклянную пластинку. В качестве растворителя можно использовать воду или спирт. 39 Влагоемкость почвы Исследование 110 Как точно определить количество воды, которое удерживает почва? Принадлежности: Весы с ценой деления в 1 г, чашка, вода, высушенные сыпучие образцы почвы из разных горизонтов, песка, супеси, суглинка, глины. Ход эксперимента: 1. Чашкой отмерить объём образца того или иного горизонта почвы 2. Взвесить образец сухим. 3. Выложить сухой образец в миску. 4. Залить образец водой. 5. Слить водут из миски. 6. После того как из образца перестаёт стекать вода, взвесить мокрый образец. Влагоемкостью называется отношение веса воды, удерживаемой почвой, к весу почвы. Учёт результатов наблюдений: Заполнение таблицы: название образца, описание образца, его вес до смачивания, вес мокрого образца, расчётные результаты — вес воды в образце, отношение веса воды к весу мокрой почвы. Вопрос для обсуждения: Как явления, которые вы наблюдали, могут быть связаны с изменением количества воды в почве в лесу, на лугу и в поле. Внимание! Вода в почве удерживается не только благодаря капиллярным явлениям! 40 Влагоемкость почвы Учебные задачи: Познакомить с процедурой взвешивания. Познакомить с концепцией количественного выражения отношения какого0то признака материала к количеству этого материала. Материалы для учителя Исследование 110 Продолжительность занятия: 15 минут в классе (физика, география) Вопросы для обсуждения: Вы помните из обсуждений в 5 классе, что мощность отложений рыхлых обломочных горных пород может быть значительной. Вода, поступившая с осадками, казалось бы, должна просочиться вглубь и стать недоступной для растений. Но мы знаем, что в почве вода удерживается. Как оценить, много ли воды может удерживать почва? Каким образом может удерживаться вода в почве? 1. Вода может быть подпёрта снизу слоем водонепроницаемой породы или грунтовыми водами. 2. Вода может удерживаться в капиллярах. 3. Вода может смачивать поверхности минералов. 4. Вода может связываться с молекулами минеральных и органических веществ благодаря наличию электрического заряда на молекулах этих веществ. В чашке с супесью общая поверхность минеральных частиц меньше, чем в чашке с песком, а у неё, в свою очередь, меньше, чем в чашке с галькой. В чашке с песком общий объём тонких скважин больше, чем в чашке с галькой, а в чашке с галькой больше объём больших, не капиллярных, просветов между частицами, чем в чашке с песком (в песке полостей больших размеров, чем диаметр капилляров, нет). Почему земледельцы стремятся унавозить песчаную почву? С навозом в песок поступают не только питательные вещества, нужные растениям, но и увеличивается связность почвы. Органические вещества навоза удерживают влагу. Почему огородники в глинистую почву подсыпают песок? Для того, чтобы сделать почву более рыхлой, чтобы вода осадков могла просачиваться вглубь. Научная подоплёка Вода в почве удерживается не только благодаря капиллярным явлениям, но и благодаря возникновению химических связей между молекулами воды и молекул других веществ, содержащихся в почве. Почвоведы учитывают разные характеристики почвы, называемые влагоёмкостью. Полная влагоёмкость — состояние увлажнения, когда все поры почвы заполнены водой. Капиллярная влагоемкость — максимальное уколичество влаги, удерживаемое над уровнем грунтовых вод капиллярными силами 41 Исследование 111 Высыхание почвы в потоках воздуха Принадлежности: Два прозрачных высоких узких флакона с отрезанными верхушками. Образцы крупнозернистого песка (305 мм) и супеси. Ход эксперимента: Образцы мокрого крупнозернистого песка (на схемах обозначен светлым тоном) и супеси (на схемах обозначена темным тоном) набивают в сосуды (как указано на схеме). Лишнюю воду сливают. Засекается время, устанавливается, когда высохла каждая проба грунта. Высыхание узнаётся по изменению цвета грунта (он блекнет при высыхании). Затем опыт повторяется с тем отличием, что образцы овеваются потоком воздуха от вентилятора. Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу: описание образца, объём пробы, объём сосудов, площадь поверхности образца, забитого в сосуд, время, прошедшее до высыхания верхних 5 мм образца, верхних 10 см образца, образца полностью. Вопрос для обсуждения: Как явления, которые вы наблюдали, могут быть связаны с изменением количества воды в почве. Как весенняя распашка или боронование верхнего слоя почвы помогают сохранить влагу в почве? Как укрытие от обдувания ветром может влиять на влажность почвы? Предложите методы, какими можно снизить скорость ветра над почвой полей и огородов. 42 Высыхание почвы в потоках воздуха Учебные задачи: Ознакомиться с явлением высыхания грунта и его экологическим значением. Материалы для учителя Исследование 111 Продолжительность занятия: 25 минут в классе Вопросы для обсуждения: Как явления, которые вы наблюдали, могут быть связаны с изменением количества воды в почве. Как весенняя распашка или боронование верхнего слоя почвы помогают сохранить влагу в почве? Научная подоплёка: Земледельцы, чтобы удержать влагу в почве, рыхлят её поверхностный слой. Ведь под тяжёлым слоем снега влажная почва спрессовывается и в ней формируется непрерывная сеть тонких капилляров — вода поднимается вверх по капиллярам и испаряется. При бороновании почвы на её поверхности образуются крупные комки, просветы между которыми настолько велики, что верхний слой разрыхленной почвы препятствует порднятию воды, а под этим слоем прохладнее и ветра нет — поэтому поднявшаяся по капиллярам вода испаряется медленнее. С уменьшением радиуса капилляров высота капиллярного подъёма возрастает. С уменьшением радиуса капилляров скорость подъёма уменьшается. В колонках, набитых кварцевым песком с песчинками разного размера вода по капиллярам поднималась с разной скоростью (по Роде, 1965). Размер песчинок (мм) Скорость подъёма (см/час) 0, 1 0 0, 05 31 0, 05—0, 01 26 0, 01 — 0, 005 12, 5 0, 005 — 0, 002 4, 6 <0, 002 0, 4 Снизить скорость ветра над полями помогают лесополосы из нескольких рядов деревьев. Снижение скорости ветра замедляет высыхание почвы и потерю воды растениями за счёт испарения с листьев. 43 Проницаемость грунта для воды Исследование 112 В толще почвы и материнской горной породы находится вода — часть этой воды удерживается молекулярными и химическими силами, часть стекает в толще грунта вниз. Запасы воды исчерпываются и пополняются. Если запасы исчерпаны — колодцы опустошаются. После дождей и таяния снега некоторые запасы воды восстанавливаются, а некоторые не восстанавливаются. Что мы можем узнать о движении воды под землёй, основываясь на лабораторных исследованиях? Принадлежности: Образцы почвы (органический слой, песок, супесь, глина), четыре пластиковых бутылки ёмкостью 1 л, чашка, палочка для набивания грунта в бутыли, четыре кусочка ткани 5х5 см, самодельное устройство для закрепления бутылок (например, крючья в стенке, стол и прямоугольный лоток для стекания воды. Ход эксперимента: Срезать донья у бутылок, сделать отверстия для подвешивания бутылок горлышком вниз, прикрыть горлышки кусочками ткани, набить в каждую бутыль по две чашки грунта, подвесить бутыли под крючья, вылить в каждую бутыль по две чашки воды, дождаться намокания грунта, после того, как вода стечёт, поставить под каждую свою банку и налить в каждую бутылку по две чашки воды. Установить, спустя сколько минут после добавленная воды она полностью вытечет из бутылок. Учёт результатов наблюдений: Таблица: название образца — время, потребовавшееся для протекания воды сквозь слой грунта. Вопрос для обсуждения: Как явления, которые вы наблюдали, могут быть связаны с изменением количества воды в почве в лесу, на лугу и в поле? Сравниваем скорость стекания воды по трубке, по листу пластика, сквозь песок. Что заставляет воду сткать вниз? Одиаковая ли сила тяжести действует на две одинаковые капли воды рядом друг с другом? Что препятствует движению воды? В прямой трубке, в кривой трубке, сквозь грунт. Совпадает ли направление движения воды с направлением силы тяжести? — когда нет препятствий — когда есть препятствия 44 Сравните схемы расположения глины и песка (песок обозначен светлым тоном, а глина — более тёмным) в верхних слоях земной коры. Как будет происходить перемещение дождевой воды в каждом случае? Различают три типа подземных вод: верховодку, основной горизонт, межпластовые воды. Верховодка — это часто обновляемый запас воды в неглубоких рыхлых породах. Толщина слоя верховодки не превышает 2 м. Площадь верховодки невелика и её уровень весьма переменчив. В засушливые годы и зимой верховодка может полностью исчезнуть и появиться после выпадения осадков и таяния снега. При строительстве поверхностный дренаж в виде водоотводных канав может отвести верховодку с дренируемого участка. В некоторых случаях при незначительной толщине водоупорного горизонта и залегании под ним водопроницаемых грунтов строители бурят скважины через водоyпор и засыпают их щебнем или гравием, для того чтобы верховая вода ушла в нижележащие слои грунта. При этом глубокие запасы воды, которые могли быть использованы в качестве питьевой, загрязняются веществами, просочившимися с поверхности. 45 Основным горизонтом называют первый водоносный слой от поверхности почвы, имеющий значительную площадь. Уровень его зависит от количества выпавших за год осадков, но в меньшей степени, чем уровень верховодки. Межпластовыми называют подземные воды, расположенные между двумя водонепроницаемыми слоями. Если вода заполняет пространства между вогнутыми пластами, она может выходить через скважину в верхнем их этих пластов под давлением. 46 Проницаемость грунта для воды Материалы для учителя. Исследование Учебные задачи: Количественная оценка проницаемости грунта для воды. 112 Практическое освоение навыков экспериментальной работы Продолжительность занятия: 25 минут на уроке географии Вопросы для обсуждения: Как явления, которые вы наблюдали, могут быть связаны с изменением количества воды в почве в лесу, на лугу и в поле. Сравниваем скорость стекания воды по трубке, по листу пластика, сквозь песок. Что заставляет воду стекать вниз? Сила тяжести. Одиаковая ли сила тяжести действует на две одинаковые капли воды рядом друг с другом? Опыт с капелью: приносим две сосульки и закрепляем их рядом. Что препятствует движению воды? В прямой трубке, в кривой трубке. сквозь грунт. Совпадает ли направление движения воды с направлением силы тяжести? — когда нет препятствий — когда есть препятствия Сравните схемы расположения глины и песка (песок обозначен светлым тоном, а глина — более тёмным) в верхних слоях земной коры. Как будет происходить перемещение дождевой воды в каждом случае? После непродолжительных дождей вода смочит только верхние слои почвы и испарится или будет впитана растениями. Рис. 1 После сильных продолжительных осадков вода может просочиться до верхнего слоя водоупорной породы и, поскольку этот слой горизонтален, задержаться на нём. Рис. 2 Просочившаяся вода заполнит чашевидную полость внутри верхнего слоя водоупорных пород. Рис 3. Просочившаяся вода будет стекать вниз по наклонному верхнему водоупорному слою. Рис. 4 В верхнем водоупорном склоне есть скважина — по ней вода будет просачиваться в межпластовое пространство. Научная подоплёка Водопроницаемость почвы измеряется объёмом воды, протекающим через единицу площади в единицу времени. Водопроницаемость прямо пропорциональна пористости почв. Водопроницаемость обратно пропорциональна удельной поверхности почвенных частиц. Водопроницаемость зависит и от химического состава почв. 47 Исследование 113 Плёнка поверхностного натяжения Стиральные порошки и мыло называют также поверхностно активными вществами (ПАВ — вы наверняка видели это сокращение на коробках стирального порошка). Поверхностно активные вещества являются одним из загрязнителей, опасных для многих водных животных. С чем связана их опасность? Принадлежности: Стакан с водой, швейная игла, безопасная бритва, жир. Ход эксперимента: На поверхность воды аккуратно плашмя положите вымытые с мылом иголку, бритву — останутся ли они лежать на поверхности воды или утонут? Повторить опыт с иглой и бритвой, намазанными жиром. Повторить опыт с крепким раствором соли вместо воды. Повторить опыт с водой, в которую добавили немного стирального порошка. Учёт результатов наблюдений: 1. Сфотографировать каждый опыт. 2. Написать рассказ о наблюдавшихся событиях. Полевые наблюдения: Во многих водоёмах по поверхности воды передвигаются мелкие животные — главным образом насекомые. Некоторые бегают по плёнке поверхностного натяжения, а некоторые висят на этой плёнке снизу, погрузившись в воду. Найдите и сфотографируйте этих животных, посмотрите на схему и решите, на положение какого из нарисованных животных больше всего похоже их расположение относительно поверхности воды. 48 Вопрос для обсуждения: Какое отношение наблюдаемые явления могут иметь к жизни водных организмов? Как наблюдаемые явления связаны со смачиваемостью и несмачиваемостью материалов? Что более удивительно: то что водомерки не тонут, или то, что они могут отрывать лапки от воды? 49 Плёнка поверхностного натяжения Материалы для учителя Исследование 113 Учебные задачи: Познакомить с ролью плёнки поверхностного натяжения в жизни водных животных. Предупредить об опасности ПАВ для гидробионтов. Продолжительность занятия: 10 минут в классе Вопросы для обсуждения: Вы наверняка видели клопов0водомерок, бегающих по воде и жуков вертячек. Почему водомерки не проваливаются в воду? Их лапки покрыты волосками, которые не смачиваются водой. Они прогибают поверхностную плёнку воды. Можно ли смоделировать явление удержания предметов плёнкой поверхностного натяжения в лабораторных условиях? Что произойдёт, если лапки водомерки станут смачиваться водой? Если бритва с обезжиренной поверхностью (смачиваемая) тонет, а бритва с засаленной поверхностью (не смачиваемая водой) плавает — какой вывод из этого о жизни водомерок можно сделать? Наличие поверхностно активных веществ (мыльных растворов из бытовых стоков) приводит к снижению поверхностного натяжения воды и к увеличению смачиваемости лапок водомерок. Можно сделать предположение, что по загрязненнй стиральным порошком воде водомерки бегать не смогут. Загрязнение водоёмов ПАВ приводит к изменениям условий, важных и для других животных: изменяется режим фильтрации воды рачками, характер движения жгутиковых простейших. Научная подоплёка По плёнке поверхностного натяжения бегают клопы0водомерки, жуки0вертячки, некоторые мухи. В океанах по поверхности воды бегают клопы0водомерки. Условия на поверхности воды отличаются яркой освещённостью, высокой влажностью воздуха и текучестью опоры. На поверхности воды скапливается много пищи — это и упавшие в воду насекомые, и всплывшие остатки подводных организмов. Но обитателям поверхности воды (их называют нейстон) негде спрятаться ни от воздушных, ни от подводных хищников. Животные, подвешивающиеся к плёнке поверхностного натяжения снизу, так же пользуются преимуществами приповерхностного (около 5 см) слоя воды — в нём повышена концентрация питательных веществ, всплывающих в виде частичек, и повышенное содержание кислорода, приходящего из атмосферы в ходе диффузии. Многие из животных, обитающих в приповерхностных слоях (насекомые, лёгочные брюхоногие моллюски) дышат воздухом (а не растворённым в воде кислородом). 50 Пена и пузыри Исследование 114 В полосе прибоя на море, на воде у берега озера часто можно видеть белую и бурую пену. Откуда она берётся? Долго ли она сохраняется? Появляется ли пена при взбивании чистой воды? Как выяснить, из чего состоит эта пена? Как изучить её свойства? Принадлежности: Кондитерский венчик для взбивания, прозрачная литровая банка с завинчивающейся крышкой, вода, белок куриного яйца, свежий образец воды из вашего водоёма. Ход эксперимента: 1. Налить в банку воду, закрыть крышкой, взболтать до образования пузырей. Поставить банку на стол и наблюдать за пузырями — что с ними происходит. Отмечать по секундам время изменений, происходящих с пузырями. 2. Добавить в воду белок куриного яйца. Налить в банку воду, закрыть крышкой, взболтать до образования пены. Поставить банку на стол и наблюдать за пузырями — что с ними происходит. Отмечать по секундам время изменений, происходящих с пузырями. 3. Налить в миску чистую воду, взбить её венчиком, наблюдать за возникновением и исчезновением пузырей. 4. Добавить в воду белок куриного яйца, взбить её венчиком, наблюдать за возникновением и исчезновением пузырей. 5. Взболтать в банке воду из вашего водоёма, сравнить появление пены с появлением пены в чистой воде и в воде с белком. 6. Дайте воде из водоёма постоять в закрытой банке в тепле несколько дней и выясните, появился ли у неё гнилостный запах. Полевые наблюдения Напишите сообщение о наблюдаемых свойствах воды вашего водоёма — запахе, цвете, наличии пены, появлении запаха после выдерживания в закрытой банке. Кстати Люди часто убеждены, что любая воды, вытекающая из земли — чистая и полезная. В то же время случается, что вода, собранная из источника внизу склона, приобретает гнилостный запах, если постоит несколько дней в комнате. По всей видимости, эта вода поступила не из водоносного горизонта, а просто просочилась сквозь почву, вобрав в себя растворимые органические вещества из гниющих остатков. Учёт результатов наблюдений: Внести данные об изменениях в таблицу (изменения через каждые 10 секунд. Серия цифровых фотографий сделанных. 51 Вопрос для обсуждения: Какое отношение наблюдаемые явления имеют к жизни микроскопических и мелких животных водоёмов. О чём может свидетельствовать белая пена, скапливающаяся у берегов водоёмов. 52 Пена и пузыри Материалы для учителя Исследование Учебные задачи: Узнать о наличии в водоёмах больших количеств растворённых 114 органических веществ природного происхождения. Научиться органолептически оценивать состояние воды. Продолжительность занятия: 10 минут на уроке биологии Вопросы для обсуждения: Первые выводы о доброкачественности воды можно сделать, опираясь на данные органов чувств — прозрачность, цвет и запах часто указывают на загрязнённость воды. Но даже в прозрачной воде с невыраженным запахом можно обнаружить растворённые органические вещества, просто взболтав её. Оценить влияние наличия органических веществ в лабораторном опыте можно, взболтав образцы воды с растворёнными в ней веществами из небольших молекул (поваренная соль, сахароза), и больших белковых молекул. Научная подоплёка: В водоёмах содержится большое количество растворённых органических веществ (их вес приблизительно в 100 раз превышает вес живых существ водоёмов). Большая часть этих веществ — гуминовые кислоты, тот самый гумус, который важен для плодородия почвы. Гумус не используется в качестве пищи гидробионтами. Кроме гумуса в воде содержатся сахара, аминокислоты и витамины, которые используются в пищу бактериями, растениями и животными (водоросли могут впитывать сахара, витамины и аминокислоты из воды). Пена — это скопление мелких пузырьков со стенками из жидкости. Пена из мыльной воды или яичных белков устойчива, а пузырьки в чистой воде быстро схлопываются. Присутствие пены в водоёме — как правило результат наличия в воде растворенных органических веществ. Пена устойчива, если она состоит из смеси веществ (мыла и воды, например), при этом одно из веществ должно быть с низким поверхностным натяжением, а другое — с высоким. В пене стенки пузырьков оказываются трёхслойными — например в смеси мыла с водой тонкий слой чистой воды находится между слоями мыла. В водоёмах постоянно возникают пузырьки газа — кислорода, появившегося в результате фотосинтеза водорослей и водных цветковых растений, углекислого газа получившегося в результате гниения, растворённого в воде воздуха при перемешивании ветром в барашках волн, поступления из ила газа метана. Эти пузырьки захватывают молекулы растворённых органических веществ и поднимают на поверхность, где они собираются в виде пены. В зависимости от состава пена может служить пищей животным, стимулировать их развитие или, если она содержит ядовитые вещества природного происхождения или сброшенные в воду человеком, угнетать живые организмы. 53 Вымывание растворимых веществ по капиллярам Исследование 115 Вымывание растворимых веществ по капиллярам Принадлежности: трубка (шприц на 10 мл или полистироловая пробирка с отверстием в донышке), крахмал, фильтровальная бумага, чернила для автоматической перьевой ручки, кисть, дистилированная вода, спирт (или одеколон), шприц для наливания воды. Ход эксперимента: Залить четверть стакана крахмала холодной водой. Когда крахмал намокнет, набить им прозрачную трубку (отверстие в донышке нужно закрыть фильтровальной бумагой). Вырезать круглый кусочек фильтровальной бумаги диаметром чуть меньше трубки. Намочить его в чернилах. Положить на блюдце и дать ему высохнуть. Аккуратно положить бумагу на крахмал и посмотреть, как будет окрашиваться намоченный крахмал. Налить из шприца воду сверху на этот кружок. Наблюдать за движением краски по крахмалу в течение четырёх дней, отмечая изменения утром и после окончания занятий. Повторить опыт, используя вместо воды спирт, а вместо чернил для авторучки — другие окрашенные вещества. Учёт результатов наблюдений: Сделать фотографии, рассказать о ходе передвижения окрашенной области по крахмалу и фильтровальной бумаге. Вопрос для обсуждения: Какое отношение данный эксперимент может иметь к процессам, происходящим в почве. 54 Вымывание растворимых веществ по капиллярам Материалы для учителя: Исследование 115 Учебные задачи: Ознакомить с принципами разделения веществ методом хроматографии, обсудить практическую важность перемещения растворённых веществ в почве с потоками воды. Продолжительность занятия: 45 минут Вопросы для обсуждения: Растения могут поглотить из почвы только вещества, растворённые в воде. Вместе с тем, после каждого сильного дождя вода уходит вглубь почвы, унося с собой растворённые вещества. Одни вещества уносятся вглубь до водоупорного слоя грунта, а потом медленно стекают по этому слою вниз по склону. Таким образом почва может быть лишена многих нужных растениям веществ. Некоторые вещества при погружении вглубь почвы вступают в химические реакции с другими веществами, становятся нерастворимыми и задерживаются в почве на определённой глубине. В результате вымывания веществ из верхних слоёв почвы в нижние разные слои почвы окрашиваются в разные цвета. Коричневый цвет придают почве гумус и соли железа. В слоях пепельно0серого или белого цвета минимальное содержание как железа, так и гумуса. Движение окрашенных веществ в крахмале или фильтровальной бумаге имитирует движение разных веществ в почве. Молекулы разных веществ могут перемещаться в тонких капиллярах бумаги или между молекулами крахмала с разной скоростью. Скорость движения разных молекул зависит также от используемого растворителя — им может быть вода, спирт, эфир и многие другие растворители. Это их свойство используется в методе разделения веществ под названием “хроматография”. Чем крупнее молекула, тем медленнее она перемещается в толще бумаги или крахмала вместе с потоком жидкости. 55 Выпотной режим Исследование 116 Часто на цветочных горшках из неглазурованной керамики можно наблюдать появление белых или бурых твёрдых отложений, а на стенах кирпичных зданий — появление белёсых полос. Что это такое? Откуда берутся эти пятна и отложения? Принадлежности: Глиняный (неглазурованный) горшок для цветов, литр грунта (супеси или суглинка), сода и поваренная соль, поддон. Ход эксперимента: Горшок забить суглинком или супесью, как следует намочить, поставить в поддон, налить в поддон крепкий раствор смеси соды и поваренной соли, поставить в сухом тёплом месте, по мере высыхания жидкости в поддоне подливать свежие порции содо0 соляного раствора. Если грунт пересохнет — полить его снова. Отмечать изменения, заметные в поддоне, на стенках горшка, поверхности грунта. В почве горшечных растений, разумеется, нет ни соли, ни соды. Эти вещества для опыта выбраны потому, что они доступны, не ядовиты и хорошо растворимы — поэтому результата дожидаться недолго. Обычно белёсые отложения на горшках состоят из солей кальция — ионы кальция содержатся в жёсткой воде и попадают в почву при поливе. Учёт результатов наблюдений: Сделайте фотоснимки и напишите отчёт об изменениях, наблюдавшихся вами в ходе опыта. Вопрос для обсуждения: Орошение полей в странах с жарким климатом часто приводит к засолению почвы — концентрация соли в почве возрастает, почва твердеет и становится непригодной для земледелия. Какое отношение к этому явлению имеет данный эксперимент? 56 Выпотной режим Образовательные задачи Связать проблемы физики, географии, экологии и сельского хозяйства. Материалы для учителя. Исследование 116 Время занятия: 10 минут на первом уроке и 15 минут на уроке через неделю. Вопросы для обсуждения: В пустынях и полупустынях поступление воды снижено, поэтому там, где есть источники воды (каналы или скважины), сады, бахчи, поля и огороды орошают. При ограниченном поливе вода впитывается корнями растений и не уходит вглубь. При избыточном орошении вода уходит вглубь почвы. Если в каком0то месте в глубине есть слой солёной воды (а это не редкость в пустынных ландшафтах) и сочащаяся сверху вода смыкается с ним, возникают сплошные нити воды, доходящие от грунтовых вод до поверхности почвы. В условиях жаркого и сухого климата вода быстро испаряется с поверхности почвы, подтягивая по капиллярам воду из глубины — на поверхность поступает солёная вода. Она испаряется, и в верхних слоях почва засаливается, а на поверхности почвы появляются кристаллы соли. Почва становится непригодной для растениеводства. На схеме (По А. А. Роде) изображены пути воды в почвах с разным водным режимом. а — водный режим промывного типа, б — водный режим непромывного типа, в — водный режим выпотного типа. 1— осадки 2 — влага, задержанная кронами деревьев, 3 — сток по поверхности почвы (поверхностный сток), 4 — физическое испарение (без испарения растениями), 5 — сток в толще почвы (внутрипочвенный сток), 6 — влага, усвоенная растениями 7 — грунтовый сток, 8 — испарение почвой и растениями. 57 Похожее явление можно наблюдать иногда и на кирпичных стенах: при нарушении гидроизоляции зданий и поступлении воды в кирпичную стену из грунта по капиллярам, на поверхность кирпича выносятся как растворимые соли имеющиеся в стройматериалах, так и соли, поднимающиеся из грунта. Соли выходят на поверхность, вода испаряется, а соли образуют налёт. Можно остановиться на обсуждении водного режима почв, подчеркнув, что для растений самый благоприятный — промывной. При этом режиме в почву поступает вода, богатая кислородом. Поступление кислорода в почву благоприятно для корней растений. Промывной водный режим характерен для зоны хвойных и хвойно0 широколиственных лесов и влажных субтропиков. Но в странах умеренного климата возможен и застой воды в почве — когда неглубоко расположен водонепроницаемый горизонт, в условиях обильных осадков в почве собирается вода, обеднённая кислородом (имевшийся кислород вступает в химическую реакцию с органическими веществами почвы). Признаком застойного водного режима (даже в периоды, когда почва высыхает) является наличие серого с зеленоватым или голубоватым оттенком горизонта в почве (он окрашен двухвалентными ионами железа). В зоне степи и лесостепи распространён непромывной тип водного режима. Влага осадков в этом случае располагается только в верхних горизонтах, и вся испаряется растениями или с поверхности почвы. Грунтовые воды находятся глубоко и их капиллярная кайма не смыкается с водой, поступившей осадками. Влага из горизонта грунтовых вод может подниматься наверх только в виде пара — а пар не несёт растворённых солей. 58 Почва вокруг корней Исследование 117 В разных природных зонах почва разная, и растениям нужно приспосабливаться условиям жизни на этой почве. Сравним корни растений в почве опытных участков школ ГлобалЛаб. Принадлежности: Песок, несколько раз промытый водой, пластиковые стаканчики из под молочных продуктов (объёмом 750 200мл), семена пшеницы, фасоли, редиса, увеличительное стекло, фотоаппарат. Ход эксперимента: Донья стаканчиков протыкают, каждый стаканчик ставят на поддон. В каждый стаканчик насыпают песок, кладут по дюжине семян. В один из стаканчиков семена не кладут. Все стаканчики ежедневно поливают. Через три недели вынимают из стаканчиков грунт с ростками и сравнивают песок в стаканчиках с растениями с песком в стаканчике без растений. С помощью увеличительного стекла выясняют, за счёт чего песчинки скрепляются друг с другом и с корнями растений. Всё фотографируют и пишут подробный рассказ. Полевое наблюдение Выкопать из земли на огороде различные огородные сорняки, рассмотреть частички почвы, удерживающиеся на корнях. На местах земляных работ (ям, канав) разглядите, до какой глубины корни уходят в землю, как выглядят поперечные срезы свежих и сгнивших корей в почве, оцените густоту корней в разных слоях почвы (0010, 11020, 21030, 31040 см). Сфотографируйте яму и корни. Чтобы лучше разглядеть корни, аккуратно палочкой разрыхлите почву на стенке ямы, чтобы корни остались на месте, а почва высыпалась вниз. Нарисуйте корни в таблице Для оценки обилия корней используйте шкалу: 1 балл — единичные корни 2 балла — корни занимают до 1/10 объёма почвы 3 балла — корни занимают от 1/10 до 1/2 объёма слоя почвы 4 балла — корни занимают от 1/2 до 3/4 объёма почвы 5 баллов —корни занимают больше 3/4 объёма почвы Учёт результатов эксперимента: Корни и почву фотографируют, пишут описания грунта и корней По результатам полевого наблюдения заполняют таблицу в рабочем журнале. Вопрос для обсуждения: Как растения, поселившись на обнажённой почве, могут защищать её от развевания ветром. 59 Почва вокруг корней Материалы для учителя Исследование 117 Учебные задачи: Познакомиться с особыми условиями, возникающими в верхнем слое почвы благодаря жизнедеятельности корней растений. Продолжительность занятия: 20 минут на уроке, 30 минут на опытной площадке. Вопросы для обсуждения: Как могут влиять корни растений на почву? Они выносят из почвы воду. Как компенсируется поглощение корнями воды? Поступлением воды с осадками. Что ещё выносят корни из почвы? Растворимые питательныек вещества. Как это компенсируется? Листья и стебли растений падают и сгнивают — минеральные вещества возвращаются в почву (гниение — процесс разрушения органических веществ бактериями и грибами). А какие части растений находятся под землёй? Корни и корневища (видоизменённые побеги). Отмирают ли корни и корневища? Скорее всего, да. Как изменяют почву отмершие корни? Они обогащают её органическими и минеральными веществами, на месте корней остаются скважины. Какими вы ожидаете увидеть корни растений в почве опытной площадки? Какими могут быть корни в почве опытных площадок других участников ГлобапЛаб ? Будет ли отличаться насыщенность почвы корнями во влажных краях и в засушливых странах? Будет ли различаться насыщенность почвы корнями в тенистом лесу и на открытом лугу? Каковы особенности насыщения почвы корнями на газоне и на картофельном поле? Как вы думаете, выделяют ли что0нибудь живые корни? На самом деле до этого трудно догадаться, но живые корни выделяю сахаристые и белковые вещества, служащие пищей микроорганизмам почвы — бактериям и грибам. Поставим опыт, понаблюдаем за тем, как корни насыщают почву. Будем выращивать в отмытом песке редис, фасоль и пшеницу в течение трёх недель, а потом сравним, как будут различаться корневые системы этих растений и останется ли песок таким, каким был, или как0то изменится. 60 Научная подоплёка 1. Корни растений выделяют много органических веществ, которые служат пищей почвенным бактериям и грибам. Вокруг корней формируется особая экосистема почвенных микроораганизмов — ризосфера. Выделения корней, бактерий и грибов склеивают частички почвы. 2. Верхний слой почвы насыщен живыми и отмершими корнями. Минеральные частички оказываются окружены ответвлениями корней и сжаты друг с другом. 3. В засушливых районах корни уходят на большую глубину в поисках грунтовых вод. В богатых осадками районах корни насыщают верхние слои почвы и усваивают воду осадков, когда она просачивается вниз. 4. На месте отмерших и сгнивших корней в почве образуются ходы, по которым в глубину попадает воздух и быстро стекает вода. 5. Интересно, что в травяных сообществах общая масса корней в несколько раз больше веса надземных органов растений. 61 Наблюдение за жизнью почвы в лабораторных условиях. Исследование 118 Принадлежности: Аквариум (или кухонная пластиковая ёмкость, с герметичной крышкой, размером примерно 20х20х20 см или другая, такая большая, какая доступна), кусок почвы из верхнего горизонта размером в половину объёма ёмкости (примерно 20х20х10 см), Ход эксперимента: В лесу или на лугу вырезают кусок почвы размером примерно 20х20х10 см, кладут его в коробку и быстро приносят в класс. Там почву выкладывают в аквариум и закрывают крышкой. В аквариуме должна постоянно поддерживаться высокая влажность воздуха — в противном случае животные могут погибнуть. Для поддержания жизни почвы необходимо обеспечивать поступление богатого кислородом воздуха в аквариум и не допускать пересыхания. И почва, и воздух в аквариуме всё время должны быть влажными. Признак увлажнённости — капли росы на стенках. Поливать почву нужно опрыскивая кипячёной водой через пульверизатор. Источником кислорода могут быть небольшие растения (например, мох) при условии, что аквариум стоит на подоконнике и получает достаточно света. Время от времени можно извлекать кусок почвы (по полстакана), чтобы рассмотреть под увеличительным стеклом и микроскопом самых мелких животных. Защищайте животных от пересыхания, возвратите их в аквариум после наблюдения. Можно сравнить население почвы, принесённой из разных мест — городского газона и почвы из высокого тенистого леса. Участники ГлобалЛаб из разных мест могут обсудить особенности населения почвы. Ногохвостка Жук стафилин Жук жужжелица Учёт результатов наблюдений: Описывают, какие мелкие животные перемещаются по почве, когда они скрываются и когда выходят на поверхность. Если есть фотоаппарат с возможностью макросъёмки — фотографируют животных. Дождевой червь 62 Вопрос для обсуждения: Что получают животные в почве? Какими свойствами должна обладать почва, чтобы в ней можно было удобно укрыться? Какими свойствами должны обладать животные, чтобы передвигаться в почве? Как животные могут сделать укрытия в почве? Рассуждать об экосистеме почвы можно, выяснив, – откуда в почве появляются органические вещества и что с ними потом происходит, — какие живые существа обитают в почве и как они друг с другом связаны, — откуда берутся в почве минеральные вещества, — как они перемещаются. Откуда берётся энергия в экосистеме почвы и на что она расходуется. Откуда в почву поступают органические вещества? Кто поедает растения? Кто поедает бактерии? Кто поедает животных? Моллюск Многоножка Мокрица 63 Наблюдение за жизнью почвы в лабораторных условиях. Материалы для учителя Исследование 118 Учебные задачи: Формирование экосистемного видения биоценозов, рассмотрение многочисленных связей между живыми организмами, привлечение внимания к сложности экологических процессов, происходящих в почве. Продолжительность занятия:регулярные наблюдения в классе (биология) Вопросы для обсуждения: Что получают животные в почве? Укрытие, воздух, влагу, пищу. Какими свойствами должна обладать почва, чтобы в ней можно было удобно укрыться? Какими свойствами должны обладать животные, чтобы передвигаться в почве? Как и для чего животные могут сделать укрытия в почве? Им нужен дом, склад и дорога под землёй. Рассуждать об экосистеме почвы можно, выяснив: откуда в почве появляются органические вещества и что с ними потом происходит, какие живые существа обитают в почве и как они друг с другом связаны, откуда берутся в почве минеральные вещества, как они накапливаются и как перемещаются. Откуда берётся энергия в экосистеме почвы и на что она расходуется. Откуда в почву поступают органические вещества? Кто поедает растения? Кто поедает бактерии? Кто поедает животных? Научная подоплёка На почву постоянно падают ветви и листья деревьев, листья и стебли травянистых растений, пыльца цветков, плоды растений, трупы наземных животных, помёт позвоночных и беспозвоночных животных. В толще почвы постоянно отмирают корни растений, а живые корни выделяют в почву органические вещества. Все остатки растений и животных разрушаются грибами и бактериями, поедаются червями и насекомыми. Простейшие животные почвы поедают бактерий, а сами оказываются съедены червями и насекомыми. Некоторые насекомые поедают других животных (одни живых, а другие — мёртвых), некоторые поедают растения (одни живые, а другие — мёртвые), некоторые питаются грибами. 64 Черви, грызуны, кроты постоянно перемешивают почву, перемещая частички грунта вместе с органическими веществами вверх и вниз по почве. Многие почвенные беспозвоночные в засуху уходят вглубь (туда, где влажнее), а в сырую погоду поднимаются наверх. В подстилке почвы можно увидеть ракообразных (мокриц), которые дышат жабрами и поэтому живут только в сырости — под слоем листьев и под камнями. Если их посадить на сухую поверхность они за минуту могут погибнуть — поэтому рассматривать их можно только в банке, посадив на мокрую бумагу. Можно увидеть хищных жуков жужжелиц, мелких (103 мм) тонких хищных жуков с уменьшенными крыльями. Можно увидеть муравьёв, личинок самых разных отрядов насекомых, кольчатых червей (самые крупные из которых — всем известные дождевые черви). Под микроскопом можно увидеть прозрачных круглых червей и амёб. Скорее всего убегут от вас при заборе пробы почвы многоножки и уховёртки. 65 Разрушение целлюлозы в почве Исследование 119 В почве обитают многочисленные бактерии и грибы — они разрушают самые разные вещества, выделяя специальные белки — ферменты. Эти ферменты сохраняют свою способность превращать одни вещества в другие спустя продолжительное время после выделения в раствор почвенной влаги. Один из способов сравнить обилие ферментов в почве — посмотреть насколько быстро разрушаются разные вещества в почве. Целлюлозу — вещество, обеспечивающее прочность стенок клеток растений,— разрушают бактерии и некоторые одноклеточные животные. Другие животные без помощи бактерий и одноклеточных животных целлюлозу разрушить не могут. Хлопчатобумажная ткань состоит на 98% из целлюлозы. Принадлежности: Прокипяченные с содой и многократно прополосканные лоскуты белой хлопчатобумажной ткани размером 12х5 см. Вырезанные из пластиковых бутылок полосы шириной 5 см Ход эксперимента: Разрезав лопатой дёрн, более глубокие слои почвы на разных участках (на газоне, на огороде, в лесу, на лугу) в разрезы вставляют пластиковые полосы, обернутые тканью. Почву притаптывают, чтобы она прижалась к ткани. Через 1, 2 и 4 недели полосы достают, фотографируют кусочки ткани, записывают рассказ об изменениях и вкладывают их обратно в почву. Учёт результатов наблюдений: Площадь разрушенных участков ткани — описание площадки, на которой захоранивалась ткань — фотографии повреждений. Вопрос для обсуждения: Новые слова: Целлюлоза — полимер, углевод, молекула которого состоит состоящий из десятков тысяч молекул глюкозы (неполных молекул — ведь при соединении молекул в полимер часть атомов в местах связей между молекулами отбрасывается). Молекула целлюлозы достигает в длину 608 мкм. Ферменты — вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты очень специфичны — ускоряют разрыв или возникновение химических связей только в определённых сочетаниях атомов в органических молекулах: на одно вещество действуют, а на другое, пусть очень похожее, не действуют. На одну группу атомов в молекуле действуют, а на другую похожую нет. 66 Разрушение целлюлозы в почве Учебные задачи: Материалы для учителя Исследование 119 Познакомить с явлением разрушения целлюлозы в почве. Продолжительность 20 минут в классе, 20 минут на площадке. Вопросы для обсуждения: Как можно оценить наличие бактерий в почве? По тому, как быстро они усваивают какие0то вещества или выделяют другие вещества. Можно разболтать почву в воде, дать осесть, отделить надосадочную жидкость и вылить её на твёрдые питательные среды. Из каждой бактерии может вырасти одна колония в виде пятнышка на агар0агаре. Общее количество бактерий в данном объёме не меньше количества колоний. Можно посчитать бактерии под микроскопом. Но можно и примерно оценить активность почвы по тому, с какой скоростью в почве разрушается то или иное вещество. Органическое вещество, которое поступает в почву в наибольших количествах — целлюлоза. Из целлюлозы состоит каркас клеточных стенок растений. Микроорганизмы, разрушающие целлюлозу, и продукты их выделения являются пищей многих других обитателей почвы. Научная подоплёка: Обычный способ выяснить, сколько бактерий обитает в почве — разболтать почву в воде, дождаться пока осядет песок, развести этот раствор во сколько0то раз, вылить определённые объёмы этого раствора на твёрдые питательные среды разного состава (на агар0 агаре) и посчитать число появившихся колоний. На каждой среде вырастают именно те бактерии, которым нужны те питательные вещества, какие есть в этой питательной среде. В последние десятилетия, исследуя ДНК, присутствующую в почве, молекулярные биологи выяснили, что такой метод оценки не отражает присутствие бактерий разных видов: на искусственных средах растут бактерии, которых мало в почве, а многие массовые виды почвенных бактерий на искусственных средах не размножаются. В школьных условиях можно поставить простой эксперимент по оценке активности целлюлозоразрушающих микроорганизмов в почве. 67 Изменение объёма грунта при промерзании Исследование 120 Вода, замерзая, увеличивает свой объём — именно поэтому стеклянные бутылки с водой на морозе лопаются, а пластиковые раздуваются. Вода, содержащаяся в грунте, при замерзании расширяется и распирает твёрдые частички. В этом эксперименте вам предлагается выяснить, насколько увеличивают свой объём при замерзании грунты, обычные в вашем крае. Принадлежности: Куски водопроводной трубы диаметром 25 мм и длиной по 15 см, Грунт, обычный для ваших мест: глина, песок, супесь без гумуса и растительных остатков. Холодильник. Две деревянные затычки с диаметром, чуть меньше внутреннего диаметра трубы (должны вдвигаться в трубу с небольшим усилием). Карта территорий с вечной мерзлотой и с сезонным промерзанием грунта. Ход эксперимента: Вставить пробку в трубу, с другой стороны плотно (деревянной палочкой) забить в трубу мокрый грунт, так чтобы остались незанятыми 20 мм трубы. Вставить с противоположной стороны деоевянную затычку с предварительно проделанным тонким отверстием или продольной канавкой (чтобы воздух мог свободно выходить). Сделайте на затычке метку по обрезу трубы. Положите трубу с грунтом в морозильную камеру. Через сутки измерьте, насколько выдвинулись пробки из трубы. Повторите опыт с другим грунтом. На основании эксперимента сделайте вывод о том, какой грунт больше увеличивает объём при замерзании. Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу: грунт — его влажность — длина столба грунта до замораживания — длина столба грунта после замерзания — отношение прибавления длины столба к изначальной длине столба грунта. Вопрос для обсуждения: Что происходит с молекулами воды при замерзании? Что происходит с молекулами воды в мокром песке? 68 Изменение объёма грунта при промерзании Учебные задачи: Познакомить с практически важным явлением изменения объёма грунта при замерзании. Материалы для учителя Исследование 120 Продолжительность занятия: 20 минут в классе (физическая география) Вопросы для обсуждения: Что происходит с твёрдыми телами при нагревании? Они расширяются. А есть ли вещества, которые увеличивают свой объём, остывая? Да, вода, замерзая, увеличивает свой объём. А песчинки? Каждая песчинка уменьшает свой объём. А чем может отличаться замерзание мокрого песка от замерзания чистой воды? В цельном куске льда порядок расположения молекул воды сохраняется на всём протяжении льдины, а в смеси воды с песком каждая песчинка соседствует с отдельными кристаллами льда. Научная подоплёка Поведение замёрзших грунтов и процессы замерзания и оттаивания грунтов изучает академическая дисциплина “Мерзлотоведение” и прикладная дисциплина “Инженерная геология”. Грунт замерзает в зимние месяцы на большей части территории России (и больше 10 миллионов квадратных километров занято вечной мерзлотой), Канады и Аляски. Также на огромных пространствах грунт не оттаивает столетиями и называется вечной мерзлотой. Если вечная мерзлота растает, на её месте на большей части территории окажутся болота и водоёмы. От знания особенностей замерзших грунтов зависит успешность строительства дорог и зданий на территориях с зимним промерзанием грунта и в областях вечной мерзлоты. Были случаи, когда возведённые на промерзающих и на вечно мёрзлых грунтах дома разрушались, дороги проваливались, а железнодорожные пути скручивались из0за неравномерного протаивания и повторного замерзания грунта. 69 Исследование 121 Выпирание предметов из грунта при промерзании В странах, где зимой промерзает почва, явления выпирания предметов из почвы приводят к многомиллионным расходам. На полях каждый год появляются камни, мешающие возделывать почву — каждый год эти камни уносят с полей, но через год из почвы поднимаются новые. Дома, построенные на недостаточно глубоких фундаментах, наклоняются и трескаются. Затраты на сооружение надёжных фундаментов весьма велики. Принадлежности: Металлические трубы длиной 1, 5 м, лазерная указка, уровень, штатив, компас. Ход эксперимента: Если в ваших краях почва зимой промерзает, попросите руководство школы выделить вам участок 1х1 м с глинистой почвой (если есть, а если нет — с любым другим грунтом), на огороженной территории, где не ходят люди. Попросите спортивных старшеклассников или взрослых вбить кувалдой несколько металлических труб на разную глубину. Важно, чтобы все трубы были вбиты строго вертикально. Это должно быть сделано до замерзания почвы. Чтобы никто не ударился об эти трубы, наденьте на каждую сверху бутыль из яркого пластика. Если у вас глинистый грунт, выройте яму глубиной 50 см, заполните её песком и вбейте трубу и в песок. Располагая уровень по очереди на каждой трубе, с помощью лазерной указки отметьте на стене ближайшего дома высоту этой трубы. Запишите угол, на который луч лазера отклоняется от направления на север. Весной с помощью отвеса и транспортира выясните, отклонились ли какие0то трубы от вертикального направления. С помощью лазерной указки выясните, изменилось ли положение верха труб относительно прошлогодних меток на стене. Учёт результатов наблюдений: Заполнить таблицу: грунт, дата, изменение высоты трубы над грунтом, изменение угла наклона трубы, глубина, на которую труба вбита в землю Вопросы для обсуждения: Зависит ли выпирание предметов из грунта при промерзании способности грунта удерживать воду? Зависит ли выпирание предметов из грунта при промерзании способности грунта пропускать воду? Зависит ли выпирание предметов из грунта при промерзании способности выпираемого предмета проводить тепло? Зависит ли выпирание предметов из грунта при промерзании глубины промерзания? 70 от от от от Зависит ли выпирание предметов из грунта при промерзании от содержания воды в грунте? Какие силы действуют на столбы фундамента дома летом и при замерзании грунта? Какие силы действуют на дом, поставленный на землю без фундамента? Почему иногда бревенчатые дома (срубы) ставят на землю (в краях, где земля зимой промерзает) без фундамента? Почему кирпичный дом нельзя ставить на землю без фундамента в краях, где зимой промерзает почва? Почему на переувлажнённых участках не рекомендуется ставить лёгкие деревянные (щитовые) дома на ленточном фундаменте (фундаменте не из отдельных врытых в землю столбов, а из длинной врытой в землю стены (ленты) по всему периметру дома? На схемах жёлтым отмечен песок, серым — бетонный столб, коричневым — глина. Сделайте предположения о возможных различиях в перемещении этих столбов в результате многолетних промерзаний и оттаиваний почвы до глубины, отмеченной пунктирной линией. Полевые наблюдения: Поищите в вашем населённом пункте кирпичные стены с трещинами, покосившиеся столбы. Подумайте, в каких случаях эти повреждения могли быть вызваны пучением грунта. 71 Выпирание предметов при промерзании Материалы для учителя Исследование 121 Учебные задачи Познакомить с практически важным явлением выпирания сооружений при замерзании и оттаивании грунта. Продолжительность занятия: 30 минут в клкассе (физическая география) Вопросы для обсуждения: Какие силы действуют на врытый в глину бетонный столб? Сила тяжести. Какие силы действуют на этот столб при промерзании грунта? Глина, замерзая, “пучится” (т. е. увеличивается в объёме). Увеличиваясь в объёме, она тянет лёгкий столб за собой, а тяжёлый вытянуть не может, соскальзывая по нему. Силы выпучивания оказываются меньше силы тяжести, действующей на очень тяжёлый столб (например, если этот столб — часть фундамента тяжёлого дома). Что происходит при оттаивании грунта под вытянутым вверх столбом? После того, как замёрзшая глина немного вытянула столб вверх, под ним оказалась пустота. Эта пустота заполняется водой. В следующем году эта вода, замерзая, расширяется, и выталкивает столб, глина тоже опять тащит его вверх. При оттаивании грунта в полость под столбом может не только затекать вода, но и сваливаться частички рыхлого грунта. Научная подоплёка: Схема выпучивания столба в области вечной мерзлоты (по Н. Н. Романовскому) 1 — Промерзшая часть сезонноталого слоя, 2 — талая часть сезонноталого слоя, 3 — многолетнемёрзлая порода, 4 — вода или разжиженный грунт в полости 5 — лёд или сильнольдистый грунт в полости, 6— талый грунт, заполняющий полость. I—VI — последовательные стадии замерзания и оттаивания. 72 Все грунты (кроме скал) способны подвергаться морозному пучению. Больше всего изменяется объём глины, суглинка и супеси, пескам с пылью. Крупные и средние пески менее подвержены пучению. Фундаменты домов деформируются в результате действия двух сил: силы выдавливания замерзающим под подошвой фундамента грунта и силы, возникающей при движении примерзших к фундаменту с боков массивов грунта. Пучение тем сильнее, чем влажнее пучинистые грунты. Увлажняются грунты осадками, капиллярным подъёмом воды и в результате подъёма грунтовых вод. В центральной части европейской части России до 80% всех грунтов относится к категории пучинистых, а в зимнее время они промерзают до глубины 1, 4 м. 73 Прогревание почвы в течение дня на пришкольной площадке Исследование 122 Откуда поступает тепло в почву ясным весенним днём? Изменяется ли температура почвы с утра до вечера? Как изменяется температура почвы в течение дня на глубине 1 см, 10 см, 20 см? Какую роль в согревании почвы играет растительный покров и наличие опавших листьев и прошлогодней пожелтевшей травы на поверхности почвы? Принадлежности: Спиртовые термометры. Колышек для протыкания почвы длиной 50 см. Ход эксперимента: Выберите три участка: Обнажённая почва Почва, покрытая прошлогоднимилистьями Газон Утром колышком сделайте углубления 1 см, 10 см, 30 см на участке с обнаженной почвой. Вложите в каждое углубление термометр, через 3 минуты посмотрите, какую температуру показал каждый из них. Запишите данные в таблицу. Утром колышком сделайте углубления 1 см, 10 см, 30 см на участке, покрытом опавшими листьями и прошлогодней сухой травой. Вложите в каждое углубление термометр, через 3 минуты посмотрите, какую температуру показал каждый из них. Запишите данные в таблицу Утром колышком сделайте углубления 1 см, 10 см, 30 см на участке газона. Вложите в каждое углубление термометр, через 3 минуты посмотрите, какую температуру показал каждый из них. Запишите данные в таблицу. Повторите все эти измерения днём и вечером. Запишите в таблице не только температуру почвы, но и температуру воздуха в тени во время измерений. Подробно напишите об облачности в момент проведения измерений и в течение всего дня. Учёт результатов наблюдений: Сфотографировать площадки во время проведения измерений. Заполнить таблицу. Вопрос для обсуждения: Как ускорить прогревание почвы весной? Как могут влиять камни, лежащие на почве и находящиеся в глубине почвы, на ход изменения температуры почвы в течение суток? 74 Прогревание почвы в течение дня на пришкольной площадке Материалы для учителя Исследование 122 Учебные задачи: Собрать сведения для сравнения свойств почв разных краёв ГлобалЛаб. Продолжительность занятия: 30 минут в классе и на площадке (физическая география). Вопросы для обсуждения: Откуда поступает тепло в почву ясным весенним днём? Излучение Солнца и передача тепла из глубины почвы, в случае если поверхностные слои почвы прохладнее глубоких, теплопередача от воздуха. Изменяется ли температура почвы с утра до вечера? Логично допустить, что яркое Солнце нагревает почву, а ночью в темноте почва остывает. Как изменяется температура почвы в течение дня на глубине 1 см, 10 см, 20 см? Это нужно выяснить, проведя измерения на местности. Какую роль в согревании почвы играет растительный покров и наличие опавших листьев и прошлогодней пожелтевшей травы на поверхности почвы? Такой покров снижает потери тепла почвой и замедляет обогрев почвы воздухом и солнечными лучами. Как ускорить прогревание почвы весной? Распахать, поднять гряды на огороде, посыпать сажей. Как могут влиять камни, лежащие на почве и находящиеся в глубине почвы на ход изменения температуры почвы в течение суток? Днём они будут быстрее нагреваться Солнцем и отдавать тепло ночь, а утром остывшие камни будут остужать прилегающую почву. Научная подоплёка: Температура почвы в течение суток изменяется: максимальная температура наблюдается около 13 часов дня, а минимальная — перед восходом Солнца. Больше всего температура изменяется у поверхности почвы, а на глубине 40050 см температура в течение суток практически не изменяется. Растения и подстилка уменьшают колебания температуры почвы в течение суток. Температура пашни днём значительно выше, чем температура луга. Температура почвы очень важна для скорости роста корней. При повышении температуры почвы от 7°С до 26°С скорость удлинения корней пшеницы возрастает примерно в три раза. 75 Разным растениям наиболее благоприятен разный диапазон температур: так увеличение веса клубней картофеля происходит быстрее всего при температуре 15°018°С, а наибольший урожай томатов можно получить при температуре почвы 30°035°С. Изменение температуры почвы в течение года имеет большое значение для сельского хозяйства и для набора видов дикорастущих растений, которые обитают на данной территории. Снеговой покров препятствует глубокому промерзанию почвы (он препятствует излучению тепла почвой). Почвы, покрытые травяной растительностью, промерзают меньше, чем распаханные. В лесу почва промерзает на меньшую глубину в сравнении с соседними открытыми участками. Почва на ровных горизонтальных участках промерзает меньше, чем на склонах и гребнях. Глина нагревается медленнее, чем песок потому, что удерживает больше влаги, и поступающее тепло расходуется в первую очередь на испарение воды. 76 Механический состав и теплопередача Исследование 123 Семена многих растений не прорастают в холодной почве. Вдобавок, чем ниже температура почвы, тем медленнее впитывают корни растений растворы питательных веществ из почвы. Поэтому продолжительность сезона интенсивного роста растений зависит и от скорости прогревания почвы после таяния снега. Какая распаханная почва прогреется весной раньше — глинистая, песчаная, супесчаная? Попробуем сравнить скорость согревания почвы разного механического состава в лабораторном эксперименте. Принадлежности: Образцы песка, супеси, растёртой в порошок глины, вода, термометры спиртовые одинаковые, одинаковые жестяные банки из0под напитков, электрическая плитка, секундомер. Ход эксперимента: Плотно набить жестянки образцами сухого грунта на глубину 10 см, удостовериться в том, что температура каждого образца равна комнатной, поставить банки с грунтом на электрическую плитку, заглубить термометры на 1 см в грунт, включить электрическую плитку. Следить за нагреванием грунта, записывая температуру каждую минуту (по секундомеру). Учёт результатов наблюдений: Заполнить таблицу: образец 0 минута 0 температура Вопрос для обсуждения: Происходит ли перемещение веществ в пробах грунта при нагреве? Проходят ли тепловые лучи по образцам грунта в банках? Передаётся ли тепло от частички к частичке? Зависит ли скорость передачи тепла от одного твёрдого тела в другое от площади контакта? Что вы можете сказать о зависимости площади контакта частиц от размеров частиц? Вы изучали согревание сухих образцов почвы. Какие вы ожидаете обнаружить различия в случае изучения увлажнённых образцов грунта? 77 Самостоятельно спланируйте исследование влажных образцов грунта. 78 Механический состав и теплопередача Учебные задачи Практически познакомиться с прикладным значением такой характеристики грунта, как теплопроводность Материалы для учителя Исследование 123 Продолжительность занятия: 20 минут в классе (физика, физическая география) Вопросы для обсуждения: Происходит ли перемещение веществ в пробах грунта при нагреве? Вода испаряется быстрее и пар поднимается по скважинам вверх. Проходят ли тепловые лучи по образцам грунта в банках? Нижние частички, получившие тепло от горячего дна банки не только передают тепло прилегающим частичкам, но и излучают тепло через просветы между минеральными частичками. Передаётся ли тепло от частички к частичке? Зависит ли скорость передачи тепла от одного твёрдого тела в другое от площади контакта? Что вы можете сказать о зависимости площади контакта чкастиц от размеров чкастиц? Вы изучали согревание сухих образцов почвы. Какие вы ожидаете обнаружить различия в случае изучения увлажнённых образцов грунта? Научная подоплёка Теплопроводность — это способность проводить тепло, измеряется в количестве джоулей, которое проходит за 1 секунду сквозь столб почвы площадью 1 см2 и высотой 1 см. В почве тепло может перемещаться разными путями: от одной твёрдой частицы к соседней посредством теплопередачи, вместе с перетекающей водой, через разделяющие соседние частицы воздух или каплю воды, конвекционной передачей тепла через газ или жидкость. Теплопроводность зависит от механического состава почвы, содержания воздуха, содержания воды. Сухие почвы, почвы богатые гумусом или обладающие высокой пористостью, плохо проводят тепло. Теплопроводность тем больше, чем больше минеральные частицы (теплопроводность крупнозернистого песка может вдвое превосходить теплопроводность суглинка при прочих равных условиях). Теплопроводность минеральных частиц примерно в 100 раз больше теплопроводности воздуха, поэтому рыхлая почва хуже проводит тепло, чем плотная. Один и тот же образец почвы, будучи влажным, проводит тепло гораздо быстрее, чем будучи сухим. 79 Проект 2. Воздух Хотя люди и ходят по твёрдому телу, живут они в воздушной среде. Воздух непрерывно поступает в лёгкие людей — поэтому благополучие людей зависит от многих характеристик воздуха: содержания кислорода, углекислого газа, ядовитых примесей, пыли. Также самочувствие людей зависит от давления воздуха и влажности воздуха. Давление воздуха зависит от глобальных метеорологических процессов, но температура и влажность в значительной степени зависят от местных условий. Режим изменения температуры и влажности воздуха зависит от рельефа местности, обилия растений и человеческих сооружений. В рамках проекта интересно обсуждать воздействие человека на микроклимат: различия условий в природных сообществах и городах. Можно обсуждать практически выполнимые учениками меры по улучшению микроклимата в классе и на пришкольной территории. Как город влияет на воздух? Повышенное содержание дыма и пыли в воздухе влияет на конденсацию водяного пара. Обилие каменных сооружений и асфальтированных дорог способствует накапливанию тепла и уменьшению испарения. Обилие препятствий на пути воздушных потоков (высокие дома, густо застроенные улицы) приводит к образованию вихрей, восходящих потоков воздуха. В жаркую погоду раскалённые стены и дорожное полотно излучают тепловые лучи, что приводит к появлению ощущения зноя и духоты (на лугу или на поле при той же температуре воздуха дышится легче из0за отсутствия такого излучения). Наибольшие различия в температуре воздуха в городе и в ближайших окрестностях наблюдаются летними вечерами — они достигают 2°С. Поэтому измерения можно проводить одновременно школьникам разных районов одного города, отличающихся застройкой и обилием зелёных насаждений, а также школ сельских населённых пунктов и ближайшего к ним города. 80 Конденсация влаги на камнях (откуда берётся вода в пустыне?) Исследование 21 Принадлежности: Прозрачный пластиковый флакон объёмом 1 литр, холодильник, инсулиновый шприц, мелкая отмытая галька. Ход эксперимента: 1. Возьмите пластиковый флакон, срежьте у него дно, закрепите дном вверх, завинтите крышечку на горлышке, заполните его сухой отмытой галькой, поставьте в холодильник и подержите несколько часов в морозильной камере. Достаньте флакон из холодильника и поставьте в классе на стол, через 2 минуты закройте флакон полиэтиленовым пакетом. Измерьте температуру в морозильной камере. Через 4 часа отвинтите крышечку так, чтобы выяснить, появилась ли в ней вода. С помощью шприца выясните, каков объём воды, стёкшей в крышечку. Сфотографируйте флакон с галькой. 2. Полевые исследования. Поставьте флакон на балконе на 2 дня. Выясните, собралась ли в нем вода. Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу, указав объём воды, собравшейся в каждой крышечке. Вопрос для обсуждения: Известны пустыни, в которых почти не выпадают осадки, и, тем не менее, среди камней живут немногочисленные растения. Откуда они берут воду? В странах с жарким засушливым климатом известны устройства для сбора воды в виде куч камней, под которыми собирается вода. Откуда берётся вода в этих сооружениях? Рисунок из книги: Волович В.Г. Человек в экстремальных условиях природной среды.М. Мысль. 1980 Как названные явления связаны с переходом веществ из жидкого состояния в газ и обратно? Путешественники советуют собирать в пустынях воду с помощью несложного сооружения: днём в песке вырывают ямку, на дно ямки ставят стакан, ямку сверху накрывают листом плёнки, на плёнку кладут камень так, чтобы он проминал плёнку над стаканом. 81 Рисунок из книги: Волович В.Г. Человек в экстремальных условиях природной среды.М. Мысль. 1980 Утром в стакане оказывается вода. Как работает это устройство? Ночью плёнка остывает и запотевает — на ней собираются капли воды. Эти капли сливаются друг с другом и стекают вниз. Самый низкий участок плёнки — под камнем. С этого места вода стекает в стакан. Полевое наблюдение На участке, где вам разрешат выкопать ямку, попробуйте сделать такой конденсатор влаги с плёнкой. Выясните, в какую погоду в нём собирается больше воды. От чего больше зависит производительность такого “конденсатора” — от дневной температуры, от ночной температуры, от влажности воздуха, от влажности почвы? 82 Конденсация влаги на камнях (откуда берётся вода в пустыне?) Образовательные задачи: Материалы для учителя. Исследование 21 Моделирование в лабораторных условиях погодных процессов. Продолжительность занятия: 10 минут на первом уроке и 10 минут на следующем. Вопросы для обсуждения: От чего зависит количество воды, конденсирующейся на камнях? От влажности воздуха? От размера камней? От общей площади поверхности камней? От гладкости камней? От температуры воздуха? От температуры камней? Можно ли измерить объём камней? Можно ли измерить поверхность камней? Научная подоплёка В большинстве пустынь на большей или меньшей глубине есть запас грунтовой воды — часто солоноватой и не пригодной для питья. Эта грунтовая вода к счастью не поднимается вверх по капиллярам — слишком глубоко она лежит, а постоянное поступление такой воды на поверхность привело бы к засолению почвы. Но пары воды всё0таки поднимаются вверх и конденсируются в охлаждаемых по ночам горизонтах почвы, там её и усваивают растения. В каменистых пустынях для сбора росы используют кучи камней — если вечером поверх таза или куска пластиковой плёнки, положенной в корытообразное углубление в грунте, насыпать кучу гальки или щебня, то, по утверждению В.Г.Воловича — специалиста в области выживания человека в экстремальных условиях, можно собрать какое0то количество питьевой воды, сконденсировавшейся утром на остывших за ночь камнях. Этот же автор описывает так называемый “солнечный конденсатор влаги”, разработанный для пустынных условий: в грунте вырывают яму диаметром 50060 см, в середине ставят кружку, края плёнки для большей герметичности присыпаются грунтом. Солнечные лучи, пройдя сквозь плёнку, нагревают дно ямы, усиливая испарение воды. Давление водяного пара повышается и на плёнке конденсируются капли воды, которые стекают в кружку (на плёнку над кружкой следует положить камешек). По утверждению В.Г.Воловича за день такой конденсатор может дать до полутора литров воды. 83 Исследование 22 Поступление осадков на опытном участке Одинаковое ли количество осадков доходит до почвы вместе с дождём под деревьями разных пород? Зависит ли доля поступивших на почву осадков от продолжительности и силы дождя? Является ли дождь единственным источником осадков? Участники ГлобалЛаб из мест с разным климатом могут ответить на этот вопрос. Принадлежности: Три самодельных дождемера. Дождемер делается из стакана с плоским дном, который прочно устанавливается, чтобы его не перевернул ветер. Для уменьшения испарения попавшей в стакан воды, в него можно вставить воронку с диаметром раструба, равным диаметру стакана. В стандартных дождемерах вокруг стакана устанавливают наружную воронкообразную защиту — она предотвращает выдувание ветром снега из стакана. Если вы проводите наблюдения в бесснежное время, эта защита не нужна. Ход эксперимента: 1. Выберите места для установки дождемеров. Один дождемер нужно ставить под кроной какого0либо дерева, другой — на открытом месте, третий — в гуще высокой травы или кустарника. 2. В дождливый день одновременно поставьте дождемеры на выбранныем места. Через час одновременно унесите их в помещение, слейте воду из стаканов в мерные цилиндры и определите объём воды. Разделите величину объёма на площадь дна стакана для каждой пробы. 3. Поставьте дождемеры на выбранные места на сутки, через сутки посмотрите, появилась ли в них вода. Если да — измерьте её объём. 84 Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу. Укажите дату исследования, температуру воздуха, описание погоды (облачность, направление и скорость ветра, наличие тумана. Вопрос для обсуждения: Чаще всего мы замечаем дождь — капли воды, падающие с неба. В какой ещё форме может поступать вода в наземные экосистемы? Как может различаться доля той или иной формы осадков: – на далёкой от морей равнине, — в низких горах у моря, — в низких горах в глубине континента, — в высоких горах у моря, — в высоких горах в глубине континента, — в густом еловом лесу, — в старом буковом лесу, в березняке, — на широком поле, — на поляне посреди густого леса? 85 Материалы для учителя Исследование 22 Поступление осадков на опытном участке Учебные задачи: Продемонстрировать влияние растительности на распределение осадков на ограниченной территории. Стимулировать обсуждение участниками ГлобалЛаб из разных мест особенностей микроклимата в зависимости от общей географической обстановки. Продолжительность занятия:15 минут обсуждение в классе, 20 минут проведение измерений наи пришкольной площадке. Ход обсуждения: Как измерить количество осадков, попадающих на почву? В какой форме может поступать вода? Только ли в виде дождя? А в виде снега, града, А попадает ли влага тумана в почву? Много ли влаги содержится в тумане? Как самим это выяснить? Что происходит с водой, выпавшей с дождём на кроны деревьев? Зависит ли это от продолжительности дождя? От его силы? Что происходит с каплями воды, оказавшимися на листьях? Вся ли вода стекает? Вся ли вода испаряется прямо с листьев? Как самим провести измерения? Научная подоплёка: В лесу значительная часть осадков оседает на кроны и испаряется с них, не доходя до почвы. Какая именно часть — зависит и от породы деревьев, и от их густоты и от возраста деревьев. (Так в ельнике возрастом 40060 лет кроны задерживают до 35% осадков, а в березняке возрастом 800100 лет кроны задерживают до 9% осадков). В кронах буков вода стекает с листьев по стволу, а в кронах елей — по наружной границе кроны. С другой стороны, лес задерживает значительные объёмы горизонтальных осадков (тумана, изморози и гололёда). Эти объёмы особенно велики в горных и прибрежных лесах у тёплых морей (до 40% общего количества осадков), но даже в лесных массивах в зоне степей доля осадков, поступивших в виде изморози достигает 9% общего количества. Справочный материал: Осадки (Из книги К.М.Бенуа, Метеорология, М.1941) Количество осадков выражают толщиной (в миллиметрах) слоя воды, который они образовал бы на горизонтальной поверхности, если бы вода не просачивалась в почву, не стекала и не испарялась. 1.Количество осадков, выпавших за 1 мин, называют интенсивностью осадков. 86 Измерение количества выпавших осадков про изводят на метеорологических станциях два раза в сутки: в 7 час. и в 19 час. 2. Отмечают разновидность осадков как выпавших, так и осевших на земную поверхность. 3. Отмечают характер выпадающих осадков . 4. Отмечают интенсивность осадков: если интенсивность значительно больше средней, у знака осадка проставляют, как показатель степени цифру 2, а при интенсивности значительно меньше средней, цифру 0. 5. Отмечают время начала и прекращения осадков с точностью до 1/ 4 часа. При наличии снегового покрова на суше с помощью так называемых постоянных или переносных снегомерных реек измеряют его высоту, а помощью специальных плотномеров — плотность снегового покрова, т. е. определяют количество воды в единице объема снега, что весьма важно знать для определения запаса воды в снеговом покрове, в частности для суждения о размерах весеннего паводка, степени увлажнение почвы оттаявшим снеговым покровом и пр. Разновидности осадков Осадки можно разбить на две группы. К первой следует отнести продукты конденсации или сублимации, выделяющиеся из воздуха непосредственно на поверхности земли и земных предметов, а ко второй — продукты конденсации или сублимации, выпадающие из атмосферы на земную поверхность. Осадки, конденсирующиеся на почве и на предметах I. К числу осадков, образующихся на поверхности земли и земных предметов, относятся следующие разновидности: 1. Роса представляет собой жидкий осадок, выделяющийся на поверхность земли и на земные предметы из соприкасающегося с ними слоя воздуха. В ясную тихую погоду земная поверхность начинает особенно интенсивно охлаждаться излучением после захода солнца; прилегающий к ней слой воздуха также интенсивно охлаждается, причем содержащийся в нем водяной пар приближается к состоянию насыщения и, наконец, может его достигнуть, прежде всего там, где воздух соприкасается с охлажденной поверхностью земли; и когда температура поверхности земли и земных предметов упадет ниже точки росы, на них начинается осаждение сгустившегося пара. Если насыщение достигается при температурах выше нуля, т. е. если точка росы выше нуля, водяной пар конденсируется в виде росы, т. е. капелек, покрывающих почву, траву и другие предметы. Образованию росы благоприятствуют: ясное небо, так как при нем сильнее лучеиспускание, большая абсолютная и относительная влажность воздуха и слабый ветер, так как он уносит слои воздуха, уже выделившие росу, и заменяет их новыми. Сильный ветер не благоприятствует образованию росы, так как перемешивает слои воздуха, вследствие чero охлаждение нижнего слоя воздуха и земной поверхности замедляется. Роса образуется главным образом на горизонтальных поверхностях и притом преимущественно на поверхности плохих проводников. 87 2. Иней представляет собой твердый белый осадок кристаллического строения, выделяющийся на земной поверхности и на земных предметах из соприкасающегося с ними слоя воздуха в тех же, в общем, условиях, что и роса. Отличие от росы состоит в том, что при образовании инея водяной пар сублимируется на поверхности достаточно холодных предметов. Другими словами, иней образуется в тех случаях, когда насыщение достигается при температурах ниже нуля, т. е. когда точка росы ниже нуля. 3. Изморозь — белый, рыхлый налет ледяных кристалликов, покрывающий ветви деревьев, телеграфные столбы, провода и выступы предметов во время тумана при сильном морозе, когда в воздухе плавают ледяные кристаллики. По виду изморозь вполне аналогична инею, но условия их образования разные: изморозь осаждается, главным образом, на вертикальных и наклонных поверхностях, тогда как иней — на горизонтальных. 4. Жидкий налет — осадок, оседающий из воздуха теплого и влажного адвективного потока на поверхности обтекаемых им земных предметов, если температура их, вследствие стоявшей ранее холодной погоды, ниже точки росы для этого воздуха. Он нередко наблюдается, например весной, на стенах лестничных клеток и на ступеньках каменных лестниц, еще недостаточно прогревшихся после зимы. По виду жидкий налет вполне аналогичен росе, но условия образования иные; жидкий налет оседает, главным образом, на вертикальных и наклонных поверхностях и притом на наветренной их стороне, роса же — на горизонтальных поверхностях. Кроме того, в отличие от росы, жидкий налет образуется, очевидно, при ветре и притом, преимущественно, при свежем. 5. Твердый налет — легкий белый налет ледяных кристалликов, по виду вполне подобный инею, но образующийся в условиях, аналогичных жидкому налету, т.е. тогда, когда стоявшими ранее сильными морозами земные предметы настолько охлаждены, что точка росы на их поверхности ниже нуля. Образование твердого (и жидкого) налета, в отличие от инея, наблюдается главным образом, при пасмурном небе и сильном ветре. В обыденной жизни твердый налет большей частью называют ошибочно инеем. 6. Гололед, гололедица или ожеледь. Так называется ледяная кора, образующаяся на поверхности различных предметов в морозную погоду из мелких, главным образом, переохлажденных капель тумана или дождя, т. е. когда на сильно охлажденную поверхность оседают капельки проносимого ветром тумана. Образование такого налета происходит в большей степени на наветренной стороне предметов. Гололедом же называют корку льда, образовавшуюся на поверхности земли и земных предметов: 1) когда переохлажденные капли дождя при умеренном морозе замерзают при прикосновении к твердой поверхности земли и предметов; 2) когда после продолжительных и сильных морозов выпадает дождь. 88 Количество насевшего льда бывает иногда настолько значительно, что под его тяжестью ломаются ветви деревьев и в особенности малые, плодоносящие веточки фруктовых деревьев, рвутся провода телеграфа и антенны, валятся телеграфные столбы и т. п. Гололед особенно опасен, если он образуется при сильном ветре или когда, как это часто наблюдается, ветер усиливается вскоре после его образования. Осадки, выпадающие из атмосферы К числу осадков, выпадающих из атмосферы, относятся следующие: 1. Дождь. Капельки воды, составляющие облако, при продолжающейся конденсации водяного пара увеличиваются в размере. Температура в разных частях облака может быть различной, поэтому капельки в нем образуются неодинаковой величины. При вертикальных токах воздуха конвекционного или турбулентного происхождения, капли разного размера движутся с разными скоростями, поэтому они сталкиваются, сливаются и образуются капли такого веса, что они уже не могут поддерживаться существующими вертикальными токами и падают на землю в виде дождя. Размеры капелек одного и того же дождя могут быть различны. То, что в начале ливня выпадают, обычно, более крупные капли, объясняется тем, что они падают значительно скорее, чем мелкие. Опытами доказано, что капли воды не могут быть больше 7мм в диаметре и тяжелее 0,2 г, так как более крупные капли распадаются на части, пройдя всего около 20м. Капли такого крупного размера наблюдаются только при сильнейших ливнях, главным образом, в тропиках. При обыкновенном дожде вес капель редко превышает 0,07г. 2. Ледяной дождь. Это бывает, когда капли дождя замерзают в воздухе и выпадают в виде мелких, плотных и прозрачных зерен без внутреннего белого ядра. Иногда внутри их остается еще не замерзшая вода, и капельки, ударяясь о твердые предметы, разбиваются, оставляя ледяные скорлупки. 3. Снег. При медленной сублимации водяного пара образуются сростки правильно расположенных ледяных кристалликов — снежинки, нарастающие во время прохождения через слои воздуха и выпадающие на земную поверхность или в виде отдельных снежинок, или (при температурах близких к 0° С) в виде большего или меньшего размера снежных хлопьев. 4.Снежная крупа. Когда снежные хлопья выпадают при температурах близких к 0° С и при сильном ветре, они по дороге скатываются в так называемую «снежную крупу». Так называют белые непрозрачные снежные шарики (диаметром от 2 до 5мм), которые легко раздавливаются между пальцами и хрупки, а при падении на твердую поверхность отскакивают и легко раздваиваются. Выпадает снежная крупа всегда только из Cb, в течение непродолжительного времени одновременно со снегом или перед ним и чаще всего в переходное время года — весной или осенью. Таким образом, снежная крупа всегда имеет ливневой характер. 89 5. Снежные зерна — снежные крупинки очень малого диаметра, вроде манной крупы, выпадающие из St и, следовательно, не имеющие ливневого характера. 6. Ледяные иглы. При очень низких температурах, например в центральных районах зимних антициклонов при ясном небе или при облаках верхнего яруса, в нижнем слое воздуха образуются такие же мельчайшие ледяные кристаллики (иголочки и чешуйки), из каких состоят перистые облака. Они видны, главным образом, потому, что сверкают на солнце (сверкают они и при искусственном освещении). Плавая в нижнем слое воздуха, эти ледяные иглы могут вызывать световые столбы над незащищенными сверху земными источниками света, вполне аналогичные тем световым столбам, которые наблюдаются над дисками солнца или луны, когда в высоких слоях тропосферы имеются перистослоистые (Cs), или, реже, перистые (Ci) облака. При очень низких температурах ледяные иглы могут выпадать, кроме того, из St и Sc. 7. Ледяная крупа — полупрозрачные, конусообразные ядра от 2 до 5 мм в диаметре с шаровым сегментом в качестве основания. В отличие от снежной крупы, ядра ледяной крупы не легко раздавливаются пальцами, не хрупки и, падая на твердую поверхность, не раздваиваются. Часто это ядра снежной крупы, покрытые тонким слоем льда. Выпадает ледяная крупа при температурах выше 0° С, часто вместе с дождем, и имеет влажную поверхность. Ее не следует смешивать с градом, который выпадает, обычно, при температурах значительно выше 0° и почти всегда при грозовых явлениях. 8. Град. Отдельные градины представляют собой неправильной формы ледяные массы различного размера от горошин до кулака и больше; чаще всего они имеют шаровую или яйцевидную форму. Внутри градин обыкновенно бывает непрозрачное ядро, а снаружи прозрачная ледяная оболочка. Часто прозрачные и непрозрачные слои чередуются между собой. Выпадение града наблюдаете чаще всего в средних широтах; оно бывает, главным образом, в теплое время года при грозах или грозовом состоянии атмосферы и происходит всегда из Cb с хорошо развитой наковальней. Условия образования града не вполне выяснены, но во всяком случае выпадение града связано с развитием мощных восходящих токов, при которых водяные капельки, образовавшиеся от конденсации пара, оказываются сильно переохлажденными; достигая более высоких слоев, в которых плавают ледяные кристаллики, и соприкасаясь с ними, переохлажден ные капельки сразу замерзают и начинают падать. Попадающиеся им на пути новые капельки оседают на них, вследствие чего градины увеличиваются в размерах. Чередование в градинах прозрачных и непрозрачных (снегоподобных) слоев обусловлено тем, что при сильной конвекции градины, падающие через облако могут быть снова подхвачены сильным восходящим 90 током и им опять подняты кверху, причем такое движение через облако вверх и вниз может повторяться несколько раз. Выпадение града наблюдается чаще всего в послеполуденные часы. Характер осадков По характеру различают осадки моросящие, обложные и ливневые. Моросящими осадками, моросью называют довольно равномерные осадки, состоящие из бесчисленного числа мельчайших капелек, диаметром менее 0,5 мм или из мельчайших же снежных зерен, реже из ледяных игл и чешуек, которые как бы взвешены в воздухе, переносятся вместе с ним и лишь очень медленно оседают. Моросящий дождь представляет собой дальнейшую стадию развития «смачивающего тумана». Морось выпадает только из слоя низких слоистых облаков, образующихся в устойчиво0напластованных массах более теплого воздуха, охлаждающегося над более холодной подстилающей поверхностью, или — к утру — в холодных массах в результате поднятия образовавшегося за ночь радиационного тумана. Капли дождя таких приблизительно размеров, как капли мороси, могут выпадать и из слоя As в тех случаях, когда выпадающие из такого слоя капли, уменьшаясь по дороге вследствие испарения, все же достигают до земной поверхности. Такой дождь, представляющий собой частный случай обложного, отличается от моросящего тем, что капли его всегда редки, тогда как в моросящем дожде капли очень многочисленны. Обложными осадками называют довольно равномерные осадки, состоящие из более или менее быстро выпадающих, достаточно крупных капель (с диаметром более 1,0 мм и во всяком случае более 0,5 мм) или из сложных шестилучевых снежинок, или снежных хлопьев. Выпадают они из равномерного слоя As opacus или, главным образом, из серебристо0серого покрова Ns, а не из низких изорванных, более или менее мрачных облаков «плохой погоды», образующихся под ними и то более или менее разрозненных, то скопляющихся в почти сплошной слой, иногда совсем закрывающий вышележащий слой As или Ns. В отличие от обложного дождя, обложной снег в довольно больших количествах может выпадать и из слоя As, а также из слоистых и слоисто0кучевых облаков, а иногда и из более высоких облаков. Это объясняется тем, что при низких температурах воздуха падающие через него снежинки могут достигать земной поверхности без изменений. При достаточно высокой температуре пронизываемых снежинками слоев воздуха отдельные снежинки слипаются между собой в снежные хлопья большей или меньшей величины. Наконец, при еще более высокой температуре тех слоев воздуха, через которые они падают, эти твердые осадки — все или частью — могут растаять, и тогда выпадает или мокрый снег или снег с дождем, или, наконец, один дождь. Ливневыми осадками в синоптической метеорологии называют недолгие и неравномерные осадки, выпадающие из Cb, независимо от того, выпадают ли они в жидком или твердом виде и независимо от 91 их интенсивности. Однако, обычно интенсивность ливневых осадков больше интенсивности обложных, а тем более, конечно, моросящих осадков, и может быть очень большой. Напомним, что интенсивностью осадков называют количество воды, выпадающей в одну минуту. Кроме ливневых, осадки этого характера часто называют проходящими, а иногда и внезапными. В климатологии «ливнями» называют дожди, дающие более 1 мм воды в минуту. В виде ливневых осадков могут выпадать как дождь, который состоит тогда из крупных капель, так и снег, большей частью крупными хлопьями, мокрый снег, снежная крупа, ледяная крупа и, наконец, град. 92 Пыль в воздухе Исследование 23 В воздухе всегда есть пыль. Мельчайшие частички пыли могут месяцами носиться в воздухе — пылинки настолько маленькие, что их поднимает ввысь самый слабый поток воздуха. Из чего состоит пыль? Принадлежности: Пылесос. Салфетка из тонкого полотна. Микроскоп. Ход эксперимента: 1. В классе, около школы, дома проведите сбор образцов. 2. Сбор образцов: из тонкой белой продуваемой ткани вырезают квадраты 12х12 см, мочат в воде, натягивают их на трубку пылесоса, обматывают нитками, дают высохнуть (при этом ткань натягивается) включают пылесос на 20 минут. 3. Если в школе установлены очистители воздуха, попросите специалиста, который заменяет использованные фильтры новыми, дать вам возможность взять пробу пыли со старого фильтра. 4. На глаз сравнивают фильтры с пробами пыли из разных мест, фотографируют их. 5. Вырезают запылённые участки фильтра размером 1х1 см. Кладут их на предметные стёкла и капают сверху воду. Плашмя поднимают бумагу с предметного стекла — в капле остаются частички пыли 6. Под микроскопом под объективом х40 и х90 рассматривают пыль. Учёт результатов наблюдений: Запишите в рабочую тетрадь описание места, где вы производили забор проб, укажите дату исследования, опишите климатические события, происходившие в последние 2 дня (был ли дождь, сильный ветер), опишите климатические события, происходившие в последние 1010 дней (был ли дождь, сильный ветер, происходило ли таяние льда, снега по берегам водоёма). Источники пыли: Частички дыма печей, пожаров. Осыпавшиеся стеновые и потолочные покрытия. Истершиеся ковровые материалы. Пыльца растений, споры мхов, папоротников, грибов. Пыль, выброшенная при извержении вулканов. Пыль, принесенная из пустынь, горных выработок. Частички соли из брызг морской воды. Пыль, поднятая ветром с пашни. Пыль, получившаяся при измельчении сырья на цементном заводе. Вопрос для обсуждения: В какую погоды пыли в воздухе на улице больше, а в какую — меньше? Какой максимальный размер частичек пыли, обнаруженный нами под микроскопом? В какое время дня пыли в воздухе больше? 93 Материалы для учителя Исследование 23 Пыль в воздухе Образовательные цели: Познакомиться с такой характеристикой санитарного качества воздуха, как обилие пыли. Продолжительность занятия: 15 минут Вопросы для обсуждения: Почему после дождя легче дышится? Что делают капли дождя с воздухом? От чего они его освобождают? Что они привносят? Дождь не только увлажняет воздух и остужает его, он и промывает его от частиц пыли. Откуда может взяться пыль в воздухе? Какие формы вы ожидаете увидеть у частичек пыли? Какое происхождение может быть у кристаллов правильной формы? Какое происхождение может быть у волоконец? (частички стёртой ткани, асбеста) Какое происхождение округлых частичек с мелким повторяющимся узором? Это могут быть пылинки покрытосеменных растений и споры мхов, голосеменных растений, хвощей ии папоротников. Научная подоплёка: Пыль является важным фактором изменения погоды. На пылинках конденсируются капли воды, что приводит к формированию облаков и началу дождя. Пыль поглощает тепло и свет, идущие от Солнца — во время крупных извержений вулканов освещённость поверхности Земли значительно снижается (так при извержении вулкана Кракатау в 1883 году прозрачность атмосферы Земли снизилась более чем на 15%). Днём при нагревании воздуха восходящие потоки воздуха переносят пыль вверх, ночью пылинки оседают. Нагретые пылинки остывают, отдавая тепло воздуху. На пыли, содержащейся в воздухе, может собираться электрический заряд, который разряжается в грозу с образованием молний. 94 Дым,туман и копоть Исследование 2 4 При сгорании древесины, воска, угля и газа образуется вода, частички минералов, частички углерода. Пары воды остывают и становятся туманом — туман хорошо виден над трубами. Дым — это смесь паров воды или тумана и частичек минеральных веществ. Что происходит с минеральными частицами, когда дым рассеивается? Принадлежности Металлический ковшик с чистым (с наружной стороны) дном. Свеча. Кастрюля. Электрическая плитка. Так выглядит снег в промышленном городе весной. Зимой он был белым. Ход эксперимента 1. Сравниваем содержание пыли в воздухе в городе и в сельской местности. Приносим с улицы снег и, постепенно подкладывая, растапливаем его в кастрюле. Когда в кастрюле соберётся 3 литра воды, перемешиваем воду, чтобы осевшие на дно частицы поднялись вверх и профильтровываем воду через бумажный фильтр. Фильтр расправляем, высушиваем в отсутствие сквозняка и кладём в свою отдельную чашку Петри. На этикетке записываем, где и когда была взята проба снега, из которой получен. Фотографируем фильтры с грязью. Рассматриваем частички пыли под микроскопом. 2. Рассматриваем частички копоти. Зажигаем свечку, вносим в пламя ковшик полный холодной водой. Собравшуюся на дне сажу рассматриваем под микроскопом. Учёт результатов наблюдений: Дата — место — количество растопленного снега (выраженное через количество получившейся воды — 3 литра) — описание фильтра. 95 Дым, туман и копоть Материалы для учителя Исследование 2 4 Учебные задачи: Обсудить, что такое дым, и какое он имеет значение для экосистем и санитарного благополучия людей. Продолжительность занятия: 30 минут в классе (география) Вопросы для обсуждения: Могут ли из газа образоваться твёрдые частицы в ходе химической реакции? Какие виды топлива сжигают люди? Что выделяется в воздух при сгорании этих видов топлива? Полевые наблюдения: Сфотографируйте дымовые трубы, видные из окон вашей школы и с земли в окрестностях вашей школы. Сфотографируйте дым, выходящий из этих труб. Найдите другие источники дыма в окрестностях вашей школы — выхлопные труба автомобилей, места, где часто жгут костры. Чувствуети ли вы запах этого дыма или нет? При каких обстоятельствах дым вызывает чувство серьёзного дискомфорта? В каких направлениях ветер в вашем населённом пункте дует чаще? Как направление ветра связано с раположением более и менее благоприятных для жизни районов? Научная подоплёка: При полном сгорании углеводородов (а они состоят только из атомов углерода, кислорода и водорода) получается углекислый газ и вода, при недостаточном поступлении кислорода в пламя образуется также и угарный газ. При взаимодействии угарного газа и углеводородов образуются частички углерода (сажа). В топливе (газе, мазуте и, особенно, в угле) кроме углеводородов содержатся также и вещества, включающие атомы серы и азота. При сгорании этих веществ образуются газообразные оксиды азоты и серы. Взаимодействуя с водой, эти оксиды превращаются в кислоты. Из печей в атмосферу поднимаются мощные потоки воздуха — они поднимают вверх и твёрдые частицы минералов, которые не превратились в газы. Крупные частицы при остывании дыма и снижении скорости потока падают вниз, а самые мелкие ещё долго странствуют по атмосфере. В городах с металлургическим или химическим производством в воздух могут поступать ядовитые соединения с раздражающим запахом. 96 Делаем гигрометр из еловой веточки Исследование 25 Уже в древности люди использовали для предсказания погоды измеритель влажности из еловой веточки. Задача вашего эксперимента — выяснить, насколько надёжно воспроизводятся измерения влажности с помощью еловой веточки и веточки каких других деревьев из ваших краёв можно использовать для изготовления подобного гигрометра. Принадлежности: Дощечка 20 х40 см Три канцелярских кнопки. Изогнутая еловая веточка с нижней части ствола, длиной около 35 см толщиной при основании 203 мм Ход работы: Срезать еловую веточку диаметром 203 мм, дать ей высохнуть и дождаться, пока осыплется хвоя. Закрепить тремя кнопками основание веточки на дощечке, так, чтобы её верхушка находилась примерно на середине дощечки. Отметить место нахождение верхушки веточки. Переставляя дощечку в места с разной влажностью воздуха (в доме рядом с батареей, на балконе, в ванной) наблюдать, не изменилось ли положение верхушки веточки из0за её изгибания или выпрямления. Учёт результатов наблюдений: День 0 место 0 Показания гигрометра из двух градусников 0 показания гигрометра из еловой веточки Вопрос для обсуждения: Как вы думаете, какие процессы на молекулярном уровне приводят к изгибанию и выпрямлению веточки при изменении влажности? Выясните самостоятельно. как устроена древесина (воспользуйтесь поисковыми словами: трахеиды, древесина, ксилема, целлюлоза). Новые слова: Трахеиды — клетки, из которых состоит древесина хвойных. У трахеид толстая стенка и отсутствует содержимое. По трахеидам вода с минеральными солями поднимается от корней к ветвям. 97 Проект 3. Водоём Неподалёку от вашей школы наверняка есть водоём — река, озеро, море, пруд или ручей. Водоём живёт своей жизнью, одни его характеристики меняются час от часа, другие — день ото дня, третьи — год от года, век от века. Многие из этих характеристик можно измерить с помощью научных приборов, но есть и такие, какие вы сможете измерить или описать с помощью подручных средств. Эти характеристики и их изменение очень важны для обитателей водоёма: водорослей и цветковых растений, рыб и ракообразных, червей и моллюсков и многих других живых существ. Люди пользуются водой и добывают в водоёмах пищу, поэтому их жизнь зависит от благополучия водоёмов. Как уберечь водоёмы от загрязнения? Как сохранить их чистыми? Что можно узнать о разнообразии животных и растений в водоёме? Есть несколько этапов изучения водоёма: 1. “Из космоса” — найдите в Интернете космический снимок вашего водоёма. Глядя на снимок, разберитесь, что на снимке каким объектам на местности соответствует. Разберитесь, где на снимке отображены дороги и тропинки, просеки и дома, леса и луга. Расскажите о форме водоёма (округлый он или вытянутый, расскажите об очертаниях берегов — ровные они или извилистые, есть ли на водоёме острова, если это река — извилистая она или прямая. Отметьте на снимке пути, по которым люди подходят к водоёму. Отметьте направления, по которым вода стекает со склонов в водоём. Отметьте участки, где могут обитать дикие животные. 98 2. “По карте” — найдите карту вашего водоёма, если это река — узнайте откуда текут её воды, что находится на территории, с которой по склонам вода стекает в реку и её притоки. Узнайте, куда впадает эта река, узнайте, какие города и посёлки находятся на берегах реки, какие территории заняты лесами, а какие — полями. Если это озеро или пруд — узнайте, откуда поступает вода в этот водоём и что расположено на его берегах. Оцените размеры водоёма, его направление по сторонам света, напишите название ближайших возвышенностей или гор. 3.“С высокого берега” — посмотрите на водоём с высокого берега, расскажите об особеностях водоёма: есть ли на нём острова и отмели, есть ли высокие растения, выходящие из воды, или в нём растут только подводные и плавающие. Напишите, чем заняты берега: лесом, кустарником, лугами, пляжами, жилой или промышленной застройкой. Укажите ширину и длину полос вокруг водоёма, занятых теми или иными объектами. 4. “С сачком у воды” — возьмите кухонный дуршлаг, прикрепите его к крепкой рукояти и, поводив несколько раз в толще воды, посмотрите, кто в нём оказался. Поместите пойманных животных в тазик, разглядите, сфотографируйте и посчитайте их, а потом выпустите обратно в водоём. Внимание! Все исследования водоёма можно проводить только в обществе учителя и с соблюдением всех правил безопасности! 5. “С кружкой в классе” — возьмите пробу воды (две пятилитровых бутыли) и отнесите в класс, там вылейте воду в аквариум, стоящий на пордоконнике, подключите компрессор с распылителем для подачи свежего воздухат в воду и наблюдайте за изменениями в воде втечение пары недель. Потом можно принести из водоёма несколько плавающих и донных растений и посадить их в аквариуме. Внимание! После работы с водой из природных водоёмов необходимо тщательно мыть руки! (В воде могут оказаться паразитические организмы, опасные для людей). 99 Исследование 31 Сезонные изменения температуры вод Покрыты ли зимой льдом водоёмы в окрестностях вашей школы? Промерзают ли эти водоёмы до дна? Принадлежности: Спиртовый терморметр в самодельном защитном корпусе, грузило, удочка, поплавок. Изготовление измерительного устройства. Термометр нужно защитить от возможных ударов, утяжелить, чтобы он тонул. Обойму с термометром нужно привязать к тонкому шнуру, на шнуре закрепить поплавок так, чтобы его можно было смещать. Ход эксперимента: 1 этап: выяснить, насколько долго сохраняются показания термометра. Опустите термометр в прозрачный сосуд с горячей водой, с помощью секундомера выясните, за какое время столбик термометра поднимается до наибольшего значения. Потом достаньте термометр из воды и выясните, за какое время термометр остужается до комнатной температуры и столбик спускается до наименьшего значения. Опустите термометр в холодную воду из холодильника. С помощью часов выясните, за какое время столбик термометра опустится до наименьшего значения. Потом достаньте термометр из воды и выясните, за какое время термометр согреется до комнатной температуры и столбик поднимется до наибольшего значения. 2 этап Измерение температуры воды в водоёме на разной глубине. Несколько раз повторите одни и те же действия: а) Сместите поплавок на определённое расстояние от нижней части термометра. Запишите в таблицу это расстояние, опустите термометр на шнуре в воду так, чтобы поплавок плавал на поверхности, подержите две минуты термометр в воде, выньте его и быстро запишите показания. Потом переместите поплавок по шнуру и повторите измерение. 3 этап провести эти измерения в одно и то же время суток ежемесячно в течение учебного года. Учёт результатов наблюдений: Заполнить таблицу: Дата0 глубина0 температура 100 Таблицу предварить описанием водоёма, берега, особенностей того места, где производятся измерения. Вопрос для обсуждения: Откуда приходит тепло в водоёмы? Куда уходит тепло из водоёмов? Где раньше тает снег на склоне — у уреза воды или в 10 метрах от уреза воды? Как выбрать час в который нужно проводить измерения в течение года? Должно ди это быть 7 часов утра, или 12 часов дня, или полночь, или 2 часа после восхода? Зависит ли наилучшее время для проведения измерений от географической широты места? От географической долготы? Как может различаться сезонное изменение температуры воды в море, озере, реке, ручье, луже? Как может изменяться ход согревания и охлаждения водоёма в течение года в низких широтах и высоких широтах? С чем связаны различия? Как может различаться ход согревания и охлаждения водоёма в Северном и Южном полушариях? В высоких горах и на побережьях морей? Внимание! Все измерения у водоёма можно производить только с соблюдением всех правил техники безопасности и в присутствии учителя! Запрещается заходить в воду, заходить на лёд, залезать на деревья, свисающие над водой, заплывать в водоём на лодках, проводить измерения с моста. 101 Материалы для учителя Исследование 31 Сезонные изменения температуры вод Покрыты ли зимой льдом водоёмы в окрестностях вашей школы? Промерзают ли эти водоёмы до дна? Учебные задачи: Обсудить причины изменения температуры воды в водоёмах, значением высокой теплоёмкости воды, влиянии водоёмов на микроклимат прилегающих территорий. Обсудить особенности измерений температуры в полевых условиях— инерционность измерительных приборов. Продолжительность занятия: 15 минут в классе, 15 минут у водоёма. Вопросы для обсуждения: Откуда приходит тепло в водоёмы в разные сезоны? В тёплый сезон тепло приносится лучами Солнца и передаётся от воздуха. В холодное время приходит от ложа водоёма, из глубин Земли. Куда уходит тепло из водоёмов? Излучается поверхностью водоёма (обратите внимание, что излучение поверхностью водоёма гораздо больше, чем излучение почвой, покрытой растениями) Где раньше тает снег на склоне — у уреза воды или в 10 метрах от уреза воды? (нужно провести наблюдение — рассуждения, не подкреплённые количественными оценками не позволят решить, что больше влияет на таяние снега — обогрев теплом, переходящим из водоёма по почве, или захват из воздуха тепла, идущего на таяние снега). Как выбрать час, в который нужно проводить измерения в течение года? Должно ли это быть 7 часов утра, или 12 часов дня, или полночь, или 2 часа после восхода? При прочих равных условиях самое холодное время суток — перед рассветом, пока Солнце не начало обогревать почву. В разные месяцы один и тот же час может оказаться предрассветным или дневным. Зависит ли наилучшее время для проведения измерений от географической широты места? От географической широты зависит время восхода. От географической долготы? Переформулируйте вопрос: для сравнения результатов лучше проводить в разных населённых пунктах измерения в один час по поясному времени, в один час по местному времени или в один час по звёздному времени? Как может различаться сезонное изменение температуры воды в море, озере, реке, ручье, луже? Обсуждая этот вопрос нужно остановиться на подвижности воды в этих водоёмах. Как может изменяться ход согревания и охлаждения водоёма в течение года в низких широтах и высоких широтах? С чем связаны различия? Как может различаться ход согревания и охлаждения водоёма в Северном и Южном полушариях? В высоких горах и на побережьях морей? 102 Какое значение для питания водных организмов перемешивание воды во всём объёме водоёма? имеет Научная подоплёка: В большинстве озёр средней полосы летом и зимой водная масса разделена на два слоя с разной температурой. Летом придонный слой воды гораздо холоднее верхнего, а зимой — теплее. Наличие таких слоёв, а значит и отсутствие перемешивания воды, приводит к ограничению поступления кислорода в глубину и замору рыбы. Весной холодная поверхностная вода нагревается до 4°С — а при температуре 4°С удельный вес воды самый большой — и начинает погружаться вниз, а на её место приходит более тёплая вода. Вода в озере перемешивается и на какое0то время температура всей воды становится равной 4°С. Позже поверхностные слои прогреваются и наступает летний застой — под слоем тёплых поверхностных вод неподвижно стоит слой холодной воды. Осенью поверхностные воды остывают, их плотность увеличивается и они начинают опускаться. Вода опять перемешивается и осенью в озере наблюдается период одинаковой температуры всей толщи воды в озере. Позже, ближе к зиме, поверхностные воды охладятся ниже 4°С и перестанут опускаться, поскольку ниже лежит вода с температурой 4°С, а при этой температуре плотность пресной воды максимальная. В озере опять формируются несмешивающиеся слои холодной воды наверху, и воды потеплее внизу. В тропических странах температура воды никогда не опускается до 4°С, а перемешивание воды происходит зимой (не каждый год). В полярных странах температура озёрной воды всегда меньше 4°С, а перемешивание слоёв происходит летом. Поэтому данные, собранные учениками разных школ ГлобалЛаб, могут значительно различаться и стать поводом для обсуждения причин и последствий перемешивания вод в озёрах. Сезонные колебания температуры воды в реках обычно не превышают 30°С, а в странах с умеренным климатом — 20°С. 103 Исследование 32 Суточные изменения температуры воды в водоёме на разной глубине В море, озере и реке температура на разной глубине может различаться. В тёплое время года это замечают купальщики. Они могут предпочитать купаться в утренние или вечерние часы, выбирая прохладную или более тёплую воду. Где теплее вода — в глубоком водоёме или мелководном? Где больше разница утренней и вечерней температуры воды — в реке или в озере? Что может сказать ныряльщик, погружавшийся в глубину озера жарким летним днём, о температуре воды на глубине? Принадлежности: Градусник в защитном корпусе, удочка, поплавок. Изготовление измерительного устройства. Термометр нужно защитить от возможных ударов, утяжелить, чтобы он тонул. Обойму с термометром нужно привязать к тонкому шнуру, на шнуре закрепить поплавок так, чтобы поплавок можно было смещать и устанавливать таким орбразом глубину погружения термометра. В каченстве обоймы, например, можно использовать шланг (например, из силиконовой резины), утяжелённый снизу металлическим болтом и имеющий сверху два отверстия, через которые пропущен шнур. Ход эксперимента: 1 этап: выяснить, насколько долго сохраняются показания термометра. Опустите термометр в прозрачный сосуд с горячей водой, с помощью часов выясните, за какое время столбик термометра поднимается до наибольшего значения. Потом достаньте термометр из воды и выясните, за какое время термометр остужается до комнатной температуры и столбик спускается до наименьшего значения. Опустите термометр в холодную воду из холодильника. С помощью часов выясните, за какое время столбик термометра опустится до наименьшего значения. Потом достаньте термометр из воды и выясните, за какое время термометр согреется до комнатной температуры и столбик поднимется до наибольшего значения. 2 этап: Измерение температуры воды в водоёме на разной глубине. Несколько раз повторите одни и те же действия: а) сместите поплавок на определённое расстояние от нижней части термометра, запишите в таблицу это растояние, опустите термометр на шнуре в воду так, чтобы поплавок плавал на поверхности, подержите две минуты термометр в воде, выньте его и быстро запишите показания. Потом переместите поплавок по шнуру и повторите измерение. 3 этап: провести эти измерения утром, днём и вечером. 104 Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу. Общие сведения: описание водоёма, время дня, температура воздуха, описание погоды в предшествующую неделю, время (в минутах) которое термометр находился на глубине, время после извлечения, в течение которого были записаны показания. Начертите график изменения температуры с глубиной. Вопрос для обсуждения: Как первые измерения могут повлиять на последующие? Происходит ли перемешивание воды при погружении термометра в воду? Влияет ли такое перемешивание воды на температуру воды на разной глубине? Как добиться минимального перемешивания воды во время измерения? В каком порядке нужно проводить измерение температуры: сначала в верхнем, а потом в более глубоких, или сначала в более глубоких, а потом — в поверхностных? На схемах красным обозначена вода с более высокой температурой, а синим — с менее высокой температурой. В какое время суток и в какое время года распределение температур в пруду глубиной около 3 м может выглядеть так, как нарисовано на схемах? Откуда поступает тепло в воду? Куда уходит тепло из воды водоёма? В результате чего может измениться температура воды на разной глубине? 105 Материалы для учителя Исследование 32 Суточные изменения температуры воды в водоёме на разной глубине Учебные задачи: Ознакомиться с проблемой инертности измерительных приборов — определения времени, необходимого для проведения измерений, и времени, в течение которого можно снимать показания измерительного прибора. Познакомиться с явлением стратификации (разделения на слои) водных масс в водоёмах. Продолжительность занятия: 15 минут у водоёма, 15 минут в классе Вопросы для обсуждения: Как первые измерения могут повлиять на последующие? (При неосторожном измерении температуры, термометр может перемешать верхние слои воды с нижними). Происходит ли перемешивание воды при погружении термометра в воду? Влияет ли такое перемешивание воды на температуру воды на разной глубине? Как добиться минимального перемешивания воды во время измерения? (Начинать измерять температуру с верхних слоёв, очень медленно погружать и поднимать термометр. В каком порядке нужно проводить измерение температуры: сначала в верхнем, а потом в более глубоких, или сначала в более глубоких. а потом — в поверхностных? На схемах красным обозначена вода с более высокой температурой, а синим — с менее высокой температурой. В какое время суток и в какое время года распределение температур в пруду глубиной около 3 м может выглядеть так, как нарисовано на схемах? Научная подоплёка: Теплопроводность воды довольно низкая — поэтому при нагревании поверхностных слоёв тепло далеко не сразу передаётся более глубоким слоям. Это приводит к образованию температурной слоистости — под слоем тёплой воды может находиться слой холодной воды, что знакомо пловцам и ныряльщикам. При понижении температуры воды её плотность увеличивается лишь до предела: при охлаждении воды ниже 4°С плотность воды уменьшается, а у льда оказывается минимальной. Поэтому лёд всплывает. При нагревании воды возрастает испарение — испарение потребляет много энергии, отчего нагревание неиспарившейся воды замедляется. 106 Теплоёмкость (способность удерживать тепло) воды очень высокая — 1 калория на грамм. Поэтому значительные потери и поступления тепла не приводят к резким скачкам температуры. Откуда поступает тепло в воду? (От Солнца, воздуха и дна). Куда уходит тепло из воды водоёма? В результате чего может измениться температура воды на разной глубине? — В приповерхностном слое воды (около 5 см) поглощается до половины всей солнечной радиации, попадающей в воду. — В солёных водах верхние 5 см отличаются большой изменчивостью условий из0за разбавления осадками и повышенным испарением. — В реках вода то поднимается к поверхности, то, совершая винтообразное движение, уходит ко дну. — Суточные колебания температуры воды достигают 10°020°С в истоках горных рек. — Суточные колебания температуры воды достигают 1°02°С в равнинных реках. 107 Исследование 33 Прозрачность воды водоёма Прозрачность воды — характеристика очень важная для человека и водных организмов. Мутная вода непригодна для питья, в мутную воду поступает мало света и растениям его не хватает, мутная вода часто непригодна для использования в промышленности. Муть часто оказывается признаком загрязнённости воды промышленными и сельскохозяйственными стоками. Как количественно оценить непрозрачность воды? Принадлежности: Белый диск из жесткого водостойкого материала (например из листового пластика толщиной 102 мм или выкрашенной белой краской фанеры толщиной 4010 мм) диаметром 30 см. Рейка длиной 2 м с отметками через 5 см. С помощью жёстких уголков из металла или пластмассы закрепите диск на конце рейки, чтобы он был перпендикулярен к ней. Ход эксперимента: Исследование проводится на берегу водоёма: пруда, озера, реки, ручья, моря. Погружая рейку в воду, выясните, на какой глубине диск перестаёт быть видным. Если вода малопрозрачна, наберите её в двухлитровую пластиковую бутылку, отнесите в класс, взболтайте и перелейте в стеклянный цилиндрический сосуд с ровным дном. Дайте неподвижно постоять. Стала ли она прозрачной? Осели ли на дно частички мути? Измерьте толщину слоя осадка на дне. Учёт результатов наблюдений: Запишите в рабочую тетрадь описание водоёма, укажите дату исследования, опишите погодные события, происходившие в последние 10 2 часа (был ли дождь, сильный ветер). опишите погодные события, происходившие в последние 1010 дней (был ли дождь, сильный ветер, происходило ли таяние льда, снега по берегам водоёма). Вопрос для обсуждения: Может ли жидкость быть цветной и прозрачной одновременно? Может ли жидкость быть бесцветной и непрозрачной одновременно? От чего зависит прозрачность воды? От количества растворённых веществ? От количества взешенных частиц? Могут ли частички мути быть минералами? Откуда такие частички могут взяться в водоёме? Могут ли они быть кусочками органического вещества? 108 Откуда такие частички могут взяться в водоёме? Могут ли частички мути быть живыми организмами? От чего может зависеть численность живых организмов в воде? Если вода малопрозрачная — дайте ей отстояться. Станет ли она прозрачнее? Откуда в воде могут взяться частички мути? Какими свойствами должны обладать твёрдые частички, чтобы длительное время удерживаться в толще воды? Как влияет мутность воды на возможность использования воды для питья. полива, химическогопроизводства? Как можно уменьшить мутность воды? Как изменяется прозрачность воды в водоёме в течение года? Как прозрачность может зависеть от дождя, ветра, длительного ледового покрова? 109 Материалы для учителя Исследование 33 Прозрачность воды водоёма Учебные задачи: Обсудить значение мутности воды для людей и обитателей водоёмов. Обсудить связанные темы: скорость оседания твёрдых частиц в зависимости от их размера, веса и вязкости жидкости. Продолжительность занятия: 45 минут. Принадлежности: Обычно прозрачность воды в водоёмах оценивают с помощью диска Секки (Секки — итальянский учёный, предложивший в 1865 году этот способ оценки прозрачности). Диск Секки — металлический белый диск, который опускают в воду на лоте (верёвке с привязанными ярлычками, отмечающими её длину). Он применим даже в очень прозрачной воде при проведении измерения с моста или с лодки. Предлагаемый нами вариант двухметровой рейки пригоден для мутной воды. Вопросы для обсуждения: Может ли жидкость быть цветной и прозрачной одновременно? Может ли жидкость быть бесцветной и непрозрачной одновременно? От чего зависит прозрачность воды? От количества растворённых веществ? От количества взешенных частиц? Могут ли частички мути быть минералами? Откуда такие частички могут взяться в водоёме? Могут ли они быть кусочками органического вещества? Да, это могут быть кусочки мертвого органического вещества. Откуда такие частички могут взяться в водоёме? Это могут быть кусочки мёртвых организмов, выделения животных, сгустившиеся в частицы растворенные органические вещества. Вес растворенных органических веществ в мелководных водоёмах примерно в 10 раз больше веса плавающих частичек органического вещества и в 100 раз больше веса живых организмов. Могут ли частички мути быть живыми организмами? Мелкие планктонные водоросли делают воду непрозрачной, но кроме того, вода может стать непрозрачной из0за обилия нитчатых водорослей. От чего может зависеть численность живых организмов в воде? Если вода малопрозрачная — дайте ей отстояться. Станет ли она прозрачнее? Важно заметить, что есть частички, оседающие быстро, и частички которые не оседают сутками. Откуда в воде могут взяться частички мути? Частички почвы смываются в ручьи и реки по склонам, пыль садится из воздуха, донные животные и люди взмучивают донный ил, растворенные в воде вещества вступают в химические реакции и превращаются в нерастворимые частицы. 110 Какими свойствами должны обладать твёрдые частички, чтобы длительное время удерживаться в толще воды? У них или должна быть плотность, равная плотности воды, или очень маленький размер при плотности большей, чем у воды. Как влияет мутность воды на возможность использования воды для питья, полива, химического производства? Как можно уменьшить мутность воды? Отстоять — обеспечить неподвижность воды и дождаться, пока частички сядут на дно. Можно профильтровать — пропустить сквозь тонкую сетку или волокнистый материал. Как изменяется прозрачность воды в водоёме в течение года? Как прозрачность может зависеть от дождя, ветра, длительного ледового покрова? Научная подоплёка Скорость погружения частиц зависит от такой характеристик жидкости как вязкость. Чем больше вязкость, тем большее сопротивление оказывают молекулы жидкости движущимся в ней частицам. При комнатной температуре вязкость спирта вдвое меньше, чем у воды, а вязкость глицерина в 1500 раз больше, чем у воды. Вязкость касторового масла почти в 1000 раз больше, чем у воды. Сравнив погружение песчинок в этих жидкостях, ученики могут получить интуитивное представление о вязкости. В одной и той же жидкости скорость затопления частиц зависит от их удельного веса, объёма и формы. Так песчинки тонут гораздо быстрее, чем частички глины. Происхождение частиц мути может быть разным — это и илистые частицы, поднятые со дна течением или при перемешивании воды ветром, животными, потоками воды от гребных винтов суден, это могут быть смытые с берегов частички почвы, это могут быть мёртвые организмы и их части, это может быть свернувшееся в частички растворённое органическое вещество. На мелководьях мути больше, чем на глубоких местах. В водоёмах с илистым дном прозрачность воды меньше, чем в водоёмах с каменистым дном. В мутной воде водным животным труднее находить пищу, ориентироваться с помощью органов зрения, требуются дополнительные усилия для очистки жабер. Существует группа водных организмов под названием фильтраторы — они пропускают жидкость через сетку из щетинок или по полостям в своём теле, осаждая частички, переваривая съедобные частички и склеивая отбросы в комки, которые ложатся на дно. Поэтому в водоёмах с обилием фильтраторов (это могут быть моллюски, ракообразные, черви и др.) вода прозрачнее. Растениям в мутной воде не хватает света — поэтому богатство видами животных и растений в мутной воде гораздо меньше, чем в прозрачной воде с таким же химическим составом. 111 В озёрах обычно прозрачность редко превышает 3 метра — свет в них поглощается в самом поверхностном слое. В местах, где вода в реку или озеро собирается с торфяников, вода богата гумусом — поэтому она тёмно0коричневого цвета. При этом часто она прозрачна, поскольку чиста от мути. Тёмная вода послужила поводом называть такие реки чёрными: “Чёрная речка” — распространённое географическое название. Прозрачность рек зависит не только от горных пород, выстилающих русло, но и от источника воды — реки, получающие воду из ледников, прозрачнее рек, получающих стекающую с поверхности почвы воду дождевых осадков. 112 Давление воды на разной глубине. Исследование 3 4 Важной характеристикой водоёмов является давление воды. Всей своей массой вода сдавливает тела обитателей водоёмов — на больших глубинах обитают животные, приспособленные именно к высокому давлению. Есть глубоководные рыбы, которые, оказавшись на поверхности (когда их вытащат рыбаки), моментально раздуваются, увеличивая свои размеры в несколько раз. Можно ли подручными средствами оценить различия в давлении при небольшом изменении глубины? Принадлежности Пластиковая бутыль двухлитровая. Длинный лоток (поддон) для стекания воды. Шприц (без иглы) Подготовка: Проделать кнопкой с круглым остриём (закрепив её в пластиковой полоске) одинаковые отверстия по одной линии с низу до верху бутыли через каждые 5 см. В другой бутыли сделать на одной высоте несколько отверстий разного диаметра. Ход эксперимента Заполнить бутыль водой, завинтить крышку, поставить вертикально в длинный лоток, снять крышку. Понаблюдать за выходом воды из бутыли. Измерить длину струй воды, выходящей из бутыли. Проследить, как изменяется эта длина со временем. Сравнить длину струй на разной высоте. Наполнить шприц (без иглы) водой, направить его почти горизонтально над лотком. Нажать на поршень слегка, а потом сильно. Как различается длина вылетающей из шприца струи воды? Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу. Высота отверстия от дна бутылки 0 высота поверхности воды над отверстием 0 длина струи в горизонтальном направлении 113 Материалы для учителя Исследование 34 Давление воды на разной глубине. Учебные задачи Показать на простом примере, что давление в толще воды зависит от глубины. Обсудить важность давления для обитателей толщи воды. Продолжительность занятия: 20 минут. Можно — как домашнее задание. Вопросы для обсуждения: Чем различаются струи воды, выходящие на разной высоте? Расстояниями, на которые вылетает из них вода. От чего может зависеть длина этих струй? От расстояния от дна бутыли? От расстояния от поверхности воды?. Можно видеть, что чем ближе поверхность воды к дырке, тем короче вылетающая струя. Струя из самой нижней дырки гораздо длиннее струи из самой высокой. Если бы вылет струи зависел от расстояния от низа бутылки, то длины струй не уменьшались бы по мере вытекания воды. Опыт с шприцем позволяет связать на интуитивном уровне длину горизонтальной струи и усилие, с которым выталкивается вода. Можно предположить, что если расстояние, на которое вылетела вода, уменьшилось вдвое и так же уменьшилась высота столба воды над отверстием. Научная подоплёка С углублением на 10,3 м в пресной воде и на 9,986 м в морской воде при 4°С давление возрастает на 1 атм. Каким может быть давление на глубине 3 км? А на глубине 7 км? Некоторые организмы живут в узком диапазоне давлений, а другие переносят значительные колебания давления воды. Некоторые голотурии, например, обитают на глубине от 100 до 9000 м. В лабораторных экспериментах крабы некоторых видов выносили давление, соответствующее глубине 9090м, кишечная палочка выдерживает давление до 1000 атмосфер, а коловратка филодина выдерживает давление до 1600 атмосфер. Личинки многих головоногих и двустворчатых моллюсков, личинки гребневиков реагируют на повышение давления всплыванием вверх. При повышении давления на больших глубинах происходит увеличение вязкости протоплазмы клеток, замедляется деление клеток Органами восприятия давления воды являются плавательные пузыри рыб, газовые пузырьки в цитоплазме простейших, воздушные полости в раковинах головоногих и брюхоногих моллюсков. Точность определения давления очень велика — рачки Синхелидиум реагируют на изменение давления до 0,01 атм, что соответствует перепаду глубин 10 см. 114 Плавучесть объектов в зависимости от давления Исследование 35 Рыбаки говорят, что когда ясная погода сменяется пасмурной, рыба уходит на глубину. Почему? В пресных водоёмах обитают многочисленные насекомые, планктонные ракообразные и клещи. У насекомых дыхательная система состоит из трахей — трубок, открывающихся на поверхности тела, ветвящихся так, что их веточки подходят к внутренним органам. Что происходит при перемене погоды? Можно ли смоделировать плавучесть насекомых? Принадлежности Стеклянная бутылка. Литровая широкогорлая банка с водой. Разрезанный воздушный шарик. Стеклянная пипетка с резиновой верхушкой. Ход эксперимента 1. Наберите в пипетку воду и пустите её плавать в банке с водой — резиновая верхушка должна быть вровень с поверхностью воды. Если верхушка заметно выступает — добавьте в пипетку ещё воды. 2. Наполните бутылку водой (не долив на 506 мм до верха), пустите в бутылку пипетку и затяните отверстие воздушным шариком, закрепите шарик, туго обмотав нитками. 3. Вдавите резину в бутылку — если всё сделано правильно, пипетка уйдёт в глубину. 4. Снимите с бутылки шарик и поставьте бутылку с водой и пипеткой на шкаф, чтобы она никому не мешала. В дни, когда барометр покажет изменение атмосферного давления, посмотрите, не изменилось ли положение пипетки. Учёт результатов наблюдений: Сфотографируёте эту установку. Напишите о том, как вы ставили этот эксперимент и что наблюдали. Вопросы для обсуждения: Влияет ли давление воды на положение в толще воды мелких животных? Можно ли поставить опыт для выяснения влияния давления воды на плавучесть тел? Полевые наблюдения Оказавшись на прогулке у водоёма, вглядитесь в воду — какие водные животные видны у поверхности воды? Сравните свои наблюдения в дни с разным атмосферным давлением. Так же понаблюдайте за поведением аквариумных рыбок. 115 Материалы для учителя Исследование 35 Плавучесть объектов в зависимости от давления Учебные задачи Продолжительность занятия: 20 минут. Можно в качестве домашнего задания. Вопросы для обсуждения: Рыбаки говорят, что когда ясная погода сменяется пасмурной, рыба уходит на глубину. Почему? Может ли причиной этого стать изменение освещённости? А изменение давления — ведь пасмурная погода сопровождается снижением атмосферного давления. При снижении атмосферного давления на поверхность воды воздух давит меньше. Но какой может быть связь атмосферного давления с плавучестью животных? В нашем опыте пузырёк воздуха в пипетке препятствовал поступлению воды. Когда мы нажимали на плёнку, воздух в бутыли сдавливался и давил на воду сильнее. В результате немного увеличилось давление воды в бутылке. Давление воды сжало пузырёк воздуха в пипетке и в пипетку вошло ещё немного воды. пипетка стала тяжелее и утонула. Когда мы перестали вдавливать резиновую плёнку, давление на поверхность воды уменьшилось, значит и давление в толще воды стало меньше, пузырёк воздуха в пипетке увеличился, вытеснил воду, пипетка стала легче и всплыла. У насекомых дыхательная система состоит из трахей — трубок, открывающихся на поверхности тела, ветвящихся так, что их веточки подходят к внутренним органам. Эти трахеи заполнены воздухом. Таким образом, насекомые напоминают пипетку — при повышении давления воды объём воздуха в трахеях сжимается и становится чуть меньше и плавучесть насекомых уменьшается. Конечно, совершая усилия, они могут подняться в воде выше, но если они будут беречь силы, то место их нахождения в воде станет глубже. У рыб есть плавательные пузыри — у одних замкнутые, а у других — открытые. Как изменение давления скажется на объёме этих пузырей? Чем это напоминает ваш эксперимент? Водные клещи дышат всей поверхностью тела и поэтому не меняется их плавучесть по тому же механизму, что мы наблюдали в опыте с пипеткой. Научная подоплёка С погружением вглубь плотность тела животного приближается к плотности воды — поэтому для организма существует слой, в котором он обладает нулевой плавучестью — может перемещаться в этом слое горизонтально и не опускается глубже. 116 Взаимодействие водных масс с различными свойствами Исследование 36 Люди живут в воздушной среде. Носят ли они на себе прилипший слой воздуха? Наверняка нет. Может ли воздух оказаться непреодолимой стеной для них? Только очень сильный ветер. А как обстоят дела в воде? Воспринимают ли водные организмы воду реки или моря как однородное целое? Прилипает ли к ним вода? Принадлежности Бутыли из прозрачного стекла. Двухлитровые пластиковые бутыли. Поваренная соль. Тушь. Пищевые красители ( сок свёклы, отвар куркумы, красители из готовых наборов — нужно 203 разных цвета). Пипетка. Шприц. Аптечный раствор глицерина. Ход эксперимента 1. Приготовить растворы воды разной солёности. Каждый раствор окрасить в свой цвет. 2. В маленьких сосудах (крышечки пластиковых бутылей) перемешать соль (разные количества) с водой и окрасить. 3. Из пипетки капать окрашенную воду в прозрачную воду. Сфотографировать и рассказать об изменениях капель, упавших в воду. 4. В пробирку до высоты 1 см налить самый концентрированный раствор соли. Потом аккуратно по стенке пробирки из шприца выпустить раствор меньшей концентрации, чтобы он лёг слоем толщиной 1 см. То же сделать и с раствором чистой воды. Учёт результатов наблюдений: Заполните таблицу. Описание смеси. Особенности движения капли. Вопросы для обсуждения: Как перемешивается вода? Может ли капля воды утонуть в воде? Передвигаются водные организмы вместе с прилегающей к ним водной оболочкой, или они пронзают слой воды? Насколько устойчивы массы воды в окружении масс воды с другими свойствами? 117 Материалы для учителя Исследование 36 Взаимодействие водных масс с различными свойствами Учебные задачи Заинтересовать детей влиянием температуры и солёности воды на условия жизни мелких водных животных и фитопланктона. Продолжительность — 20 минут. Возможно как домашнее задание. Вопросы для обсуждения: Капля не расходится по воде сразу — несмотря на то, что она движется сквозь слой воды, она какое0то время сохраняет свою форму. Слои воды разной солёности могут сохраняться несколько минут или даже часов, прежде чем в результате диффузии перемешаются. В морях и океанах существуют течения — огромные массы воды, сохраняя свою температуру и солёность перемещаются на тысячи километров, не смешиваясь с соседними водными массами. Такая масса несёт свою экологическую систему — свои планктонные организмы (взвешенные в воде микроскопические водоросли, рачков, личинок рыб). Только крупные организмы — рыбы, киты, головоногие моллюски могут легко переходить из одной водной массы в соседнюю. Даже в больших реках воды притоков или сточные воды долго не перемешиваются с основным потоком воды. В глубоких озёрах так же формируются слои воды: тяжёлая холодная у дна и тёплая у поверхности. При наличии сильного перепада температур эти слои не смешиваются. Научная подоплёка Этот эксперимент имеет отношение ко многим природным явлениям 1. Плотность тёплой воды больше, чем у этой же воды холодной. При одинаковой температуре плотность более солёной воды больше плотности менее солёной. Две водные массы (в виде потоков воды или слоёв воды в неподвижном водоёме) мало перемешиваются. Это значит, что в океане или в море существуют массы воды с сохраняющимися свойствами, в которых преимущественно присуствуют организмы тех или иных видов. С высоты видно, что вода больших рек, впадающих в океан, не смешивается с океанской на протяжении десятков километров. Та же иногда вода притока на протяжении километров и десятков километров остаётся обособленной от воды реки, в которую приток впадает. Переход мелкого водного организма из одной водной массы в другую связан с плавучестью этого организма. Поэтому особенности водных масс имеют большое значение для обитателей воды. 118 Плавучесть объектов в зависимости от формы Исследование 37 Основная пища океанических рыб — мелкая рыба и планктонные ракообразные. Основная пища планктонных ракообразных — планктонные водоросли. Почему планктонные водоросли плавают, ведь их удельный вес немного больше, чем у воды и они не могут совершать плавательных движений? Принадлежности Высокая бутылка. Микроскоп. Предметные и покровные стёкла. Кусочки различных пластмассовых предметов — упаковки, сломанных ручек и т. д. Ход эксперимента 1. В разное время года вода многих водоёмов начинает “цвести” — вся толща воды заполняется зелёными комочками. Вы можете поймать такой момент в жизни вашего водоёма, или просто набрать из водоёма воды и вылить её в аквариум на подоконнике южного окна, есть шанс что вскоре вода станет зелёной. Наберите шприцем эту воду, поставьте шприц вертикально, и, когда вода в нём станет прозрачной, а внизу соберётся осадок, выпустите каплю из шприца на предметное стекло. Рассмотрите под микроскопом и зарисуйте водоросли. 2. Среди кусочков разных пластмасс найдите те, которые тонут в воде. Выясните, можно ли их мять и вытягивать, нагрев в пламени свечи (пользуйтесь парой плоскогубцев). Придайте этим кусочкам разную форму, перекусывая кусачками (бокорезами). Кусочки пластмассы, которые размягчаются при нагревании, изгибайте, вытягивайте в нити и так далее. Бросая кусочки пласмассы разной формы в воду, наблюдайте, как они тонут. Быстро или медленно, покачиваясь, вращаясь или не меняя направления. Опишите форму кусочка, который тонул медленнее всего. Учёт результатов наблюдений: Нарисуйте клетки водорослей. Опишите их форму. 119 Материалы для учителя Исследование 37 Плавучесть объектов в зависимости от формы Учебные задачи Связать проблемы выживания микроскопических водорослей с особенностями их формы. Продолжительность занятия: 20 минут. Урок биологии. Вопросы для обсуждения: В толще воды обитают планктонные водоросли и беспозвоночные. И те, и другие медленно тонут. Если водоросли опустятся в неосвещённые слои, они не смогут фотосинтезировать. Что помогает им замедлить скорость погружения? Что может замедлить погружение планктона? Как вы полагаете, поверхность водорослей и рачков смачивается водой или не смачивается? Как это можно выяснить? Какие силы действуют на тонущий предмет? Силы тяжести, сила выталкивания из воды, силы межмолекулярного притяжения. Могут ли силы межмолекулярного притяжения удержать тонущий предмет? Нет, ведь молекулы жидкости легко смещаются друг относительно друга. Что же они могут сделать? Только замедлить погружение. Можно говорить о трении предмета об воду — силы трения замедляют движение. Положим один спичечный коробок, наполненный песком, на пластмассовую линейку, а другой на платяную щётку. Наклоняя щётку и линейку посмотрим, в какой момент коробок начнёт сползать вниз. Научная подоплёка где a— скорость погружения, b — разница между весом организма и весом вытесненной им воды, c — вязкость воды, d — сопротивление формы 120 Чем больше удельная поверхность тел (отношение площади их поверхности к объёму), тем больше трение замедляет их погружение. Увеличение удельной поврехности достигается уплощением, образованием выростов, щетинок и шипов, бахромы и зубцов, образованием на теле перемычек и перетяжек. В тёплое время года, когда плотность воды и вязкость воды уменьшаются, у некоторых пресноводных ракообразных удлиняются выросты на теле и меняются пропорции. а с похолодданием выросты уменьшаются и пропорции восстанавливаются. Другие способы увеличения плавучести (то есть снижения скорости погружения) — накопление в организме жира или пузырьков газа, накопление вокруг организма слоя слизи. ;
