Диффузия - Координационный научно

УТВЕРЖДАЮ
Генеральный директор
АНО Международный учебно-научный
центр «Космос»,
член-корреспондент РАН
__________________ О.М. Алифанов
«___» ___________ 2010 г.
НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА: «Диффузия».
«Научно – образовательная демонстрация диффузионных процессов в
жидких средах в условиях невесомости»
1. Сущность исследуемых проблем
Проект космического эксперимента «Диффузия» разрабатывается
совместно
специалистами
Автономной
некоммерческой
организации
Международный учебно-научный центр «Космос», Ракетно-космической
корпорации «Энергия» им. С.П. Королёва, преподавателями и учащимися
средней школы № 596 г. Москвы. Научно-методическое сопровождение
проекта в части подготовки и наземной отработки методик, а также
распространения результатов КЭ в системе образования осуществляют
специалисты Автономной некоммерческой организации Международный
учебно-научный центр «Космос» (АНО МУНЦ «Космос», г. Москва) при
Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе.
Проблемы, исследуемые в научно-образовательном космическом
эксперименте «Диффузия» относятся к разделам курса физики средней и
высшей школы. В данном эксперименте предполагается продемонстрировать
процессы концентрационной и тепловой диффузии в условиях невесомости в
жидких средах с различными свойствами, исследовать скорость и
особенности развития и протекания диффузионных процессов в отсутствие
действия сил плавучести.
Интересным результатом эксперимента будет сравнение характеристик
1
пространственного распределения
исследуемых
веществ в процессах
концентрационной и тепловой диффузии в наземных условиях и в условиях
микрогравитации, а также проведение сравнительного анализа полученных
результатов с расчетно-теоретическими данными.
2. Краткая история и состояние вопроса
Использование ресурсов и возможностей пилотируемых космических
станций и кораблей в целях школьного образования уже давно стало одним
из основных направлений зарубежных космических программ.
22 июня 2005 года было принято решение Координационного научнотехнического совета Федерального космического агентства по развитию
научно-образовательных экспериментов на РС МКС.
28 июня 2005 года утвержден план мероприятий по участию
Федерального космического агентства в образовательной деятельности
предприятий космической отрасли. К настоящему времени на РС МКС
выполнен ряд оригинальных образовательных космических проектов.
Космический
эксперимент
«Диффузия»
является
проектом
с
демонстрационной постановкой образовательных задач для реализации на
борту
Международной
космической
станции
в
рамках
научно-
образовательных экспериментов.
3. Необходимость проведения эксперимента в космосе
Основными целями российской научно-образовательной программы
космических экспериментов являются:
1) использование возможностей российского сегмента Международной
космической станции для наглядной демонстрации известных законов и
явлений в условиях отсутствия возмущающих факторов гравитационной
природы;
2) создание условий для привлечения молодежи к самостоятельной
научно-исследовательской
деятельности
под
руководством
ведущих
специалистов предприятий и организаций космической отрасли;
2
3) развитие у молодежи интереса к научно-техническому творчеству,
исследованию
космоса,
изучению
истории
и
перспектив
развития
космонавтики и ракетной техники, а также ориентация учащейся молодежи
на перспективные программы космических исследований;
4) совершенствование
учебных
программ,
учебно-методических
пособий и расширение экспериментальной базы педагогической науки.
Поскольку
космический
эксперимент
«Диффузия»
посвящен
исследованию процессов диффузии, для его проведения необходимо
обеспечить длительное состояние физических условий - невесомости.
Таким образом, эксперимент «Диффузия» полноценно может быть
выполнен
только
космической
на
борту
станции,
где
Российского
условия
сегмента
Международной
относительной
невесомости
(микрогравитации) существует постоянно.
4. Описание космического эксперимента «Диффузия»
Демонстрацию
вышеупомянутых
видов
диффузии
планируется
осуществить в трех сосудах, заполненных жидкостями с различными физикохимическими свойствами, объединенных в общую экспериментальную
камеру. В центральные области сосудов подаются окрашенные растворы
различных веществ (с помощью устройства подачи проб из специальных
картриджей) для формирования небольших концентрационных зон, которые
и являются демонстрационными объектами – окрашенные вещества из этих
зон
будут
диффундировать
в
окружающий
раствор
сосудов
(концентрационная диффузия). Кроме этого, процесс тепловой диффузии
инициируется точечными (локальными) нагревателями, помещенным в
концентрационные
зоны
проб
и
подключенными
к
термостату-
подогревателю.
Процесс формирования концентрационных зон и поведение их границ
во времени является предметом наблюдения, видеосъемки и периодической
фоторегистрации. Окончание сеанса демонстрации процесса диффузии
определяется
на
основании
предварительного
расчета
времени
3
диффузионного «размывания» цветных проб до внутренних стенок сосудов.
Результатами КЭ являются видеозаписи и файлы фотоснимков,
которые должны быть возвращены на Землю для анализа.
5. Новизна и качественный уровень
В эксперименте «Диффузия» предполагается не только качественно
продемонстрировать на простых примерах концентрационной и тепловой
диффузии действие основных физических законов, но и дать возможность
решения
учащимися
актуальных
задач
курса
физики
-
сравнить
характеристики диффузионных процессов в наземных условиях и в условиях
микрогравитации, провести сравнительный анализ полученных результатов с
расчетно-теоретическими данными.
Вместе с тем, эксперимент может показать и некоторые неочевидные
явления, которые сложно воспроизвести в земных условиях и относятся к
области фундаментально-теоретических исследований, это капиллярноконцентрационная конвекция. Новизна эксперимента заключается также в
возможности для учащихся исследовать скорость и особенности развития и
протекания диффузионных процессов в жидких средах с различными
свойствами в отсутствие действия сил плавучести (в процессе обработки
результатов КЭ).
С этой точки зрения эксперимент «Диффузия» отличается от
предыдущих образовательных космических экспериментов существенной
новизной и более высоким экспериментальным уровнем.
6. Ожидаемые результаты и их использование
В эксперименте «Диффузия» предусмотрена демонстрация действия
основных физических законов в процессах концентрационной и тепловой
диффузии в жидких средах. Помимо этого предполагается получить также
качественные
и
количественные
данные
об
основных
параметрах
диффузионных процессов в отсутствие действия сил плавучести, так как
видео и фотоматериалы, которые предусматривается вернуть на Землю,
будут содержать информацию о поведении и пространственном изменении
4
границ концентрационных цветных зон.
Эксперимент может показать также явления, сложно воспроизводимые
в земных условиях - развитие капиллярно-концентрационной конвекции.
Результаты эксперимента предполагается использовать в научно образовательных целях учебного процесса курса физики в средней и высшей
школе
в
качестве
демонстрационного,
а
также
предусматривается
проведение сравнительного анализа полученных экспериментальных данных
с данными, полученными расчетно-теоретическим путем.
От образовательных учреждений:
От АНО МУНЦ «Космос»:
Зам. декана
Аэрокосмического факультета МАИ
Зам. генерального директора
_____________С.О. Фирсюк
_____________В.К. Оделевский
Директор средней школы №596
г. Москвы
_____________И.В. Мамбетова
Зам. директора школы №596
_____________Е.В. Елизарова
Директор средней школы №185
г. Москвы
_______________О.В. Попова
Зам. директора школы №185
_______________Л.А. Сенина
5