Загальна інформація
Застосування
Рис. 1: установка досліду
Аномалія води полягає в тому, що вода зменшує свій об'єм лише до температури 4 °C. Якщо воду від 4 °C далі нагрівати або охолоджувати, об'єм знову зростає, а її густина спадає.
Через аномалію води велетенські айсберги можуть плавати на поверхні води, не занурюючись.
Інша інформація (1/2)
Попередні знання
Учні мають мати попередні знання про властивості води й про аномалію води.
Принцип
Загалом рідини, гази й тверді тіла розширюються, коли їх нагрівають. Проте вода має особливу властивість, яка відрізняє її майже від усіх інших рідин: її густина найбільша за 4 °C. Вище й нижче 4 °C густина спадає. Тому лід легший за воду й плаває на поверхні. У цьому досліді аномалію води унаочнюють крижаною банею з двома термометрами
Інша інформація (2/2)
Навчальна мета
Треба показати, які наслідки має аномалія води для густини залежно від температури. З цього можна вивести, чому лід плаває, а тепла вода нижче 4 °C опускається донизу.
Завдання
Завдання цього досліду полягає в тому, щоб учні поспостерігали різницю температур між поверхнею та нижнім шаром і точніше зрозуміли аномалію води.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Теорія
Проте вода має особливу властивість, яка відрізняє її майже від усіх інших рідин: її густина найбільша за 4 °C. Вище й нижче 4 °C густина спадає.
Тому лід має меншу густину, ніж вода, і має завдяки цьому потрібну виштовхувальну силу, щоб плавати у воді.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Магнітна демонстраційна дошка PHYWE зі штативом, демо з фізики | 02150-00 | 1 |
| 2 | Затискний тримач, d = 0..13 мм, на магнітному тримачі | 02151-07 | 2 |
| 3 | Опорна площадка, магнітна | 02155-00 | 1 |
| 4 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 5 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 1 |
| 6 | Скляний стрижень, l=200 мм, d=6 мм, BORO 3.3 | 40485-04 | 1 |
| 7 | Занурювальний зонд, NiCr-Ni, нержавіюча сталь, -50...400°C | 13615-03 | 2 |
| 8 | Струбцина | 02014-01 | 2 |
| 9 | Демонстраційний універсальний вимірювальний прилад, ADM3 | 13840-00 | 2 |
Складання та виконання
Складання
Рис. 2: Обладнання
1. Постав магнітний тримач для хімічного стакана посередині демонстраційної дошки (пор. рис. 3).
2. З'єднай штекер датчика температури з ADM 3.
3. Розмісти обидва затискні тримачі для двох датчиків температури вище.
Виконання (1/2)
Рис. 3
1. Загорни кубики льоду в кухонний рушник і подрібни їх молотком на крижану крихту.
2. Наповни хімічний стакан на 400 мл приблизно на третину крижаною крихтою.
3. Додай 200 мл води й ретельно перемішуй одну хвилину, щоб утворилася крижана вода.
4. Постав хімічний стакан на тримач і занур датчики температури посередині склянки поряд один з одним і на однаковій висоті в лід. Тепер виконай описане вище калібрування нуля.
5. Тепер у хімічному стакані має бути приблизно 350 мл води з шаром льоду завтовшки 2–3 см. (За потреби прибрати лід ложкою)
Виконання (2/2)
6. Виміряй температури шару льоду й нижче розташованої води. Для цього зсунь один із датчиків температури в склянці донизу так, щоб вістря було приблизно на 0,5 см над дном.
7. Розташуй другий датчик температури в шарі льоду. Тепер більше не перемішуй.
8. Спостерігай протягом 5–10 хвилин за обома температурами й записуй виміряні значення, наприклад, кожні дві хвилини.
9. Тепер покажи, як змінюється розподіл температури в хімічному стакані, коли лід прибирають: обережно прибери шматки льоду ложкою з поверхні води. Намагайся при цьому не перемішувати воду.
10. Спостерігай за температурами ще 5–10 хвилин і записуй виміряні значення.
Протокол
Спостереження
1. Температура крижаної води лежить між 0 °C і 0,5 °C.
2. Температура у шарі льоду лишається на 0 °C, тоді як температура внизу в склянці поступово зростає до 4 °C. Установлюється рівновага.
3. Якщо на поверхні більше не плаває лід, температура зростає спочатку на поверхні, а потім поступово й біля дна хімічного стакана.
Опрацювання результатів (1/2)
| t у хв | у °C | у °C |
| 0 | 0,1 | 0,5 |
| 5 | 0,1 | 3,2 |
| 7 | 0,1 | 3,7 |
| 10 | 0,1 | 4,0 |
Табл. 1: З льодом на поверхні
1. Температура плавлення льоду становить 0 °C, що можна вивести з температури в шарі льоду.
2. Якщо не перемішувати, лід і вода, що нагрівається, розділяються, пор. таблицю 1. Тепліша вода опускається донизу, а нижня температура наближається до 4 °C.
Опрацювання результатів (2/2)
3. Якщо лід прибрати з поверхні, може нагріватися й верхня частина ( ) води, пор. таблицю 2. При цьому зростає, доки . Від цієї точки теж зростає, проте повільніше, ніж . Вище 4 °C тепліша вода збирається на поверхні.
4. Звідси можна дійти висновку про «аномалію води»: за 4 °C вода має найбільшу густину, через що вона опускається донизу. Лід нетипово має меншу густину, через що він плаває на поверхні. Вода понад 4 °C теж має меншу густину, через що вона підіймається догори. Конвекції води визначаються різницею густин.
| t у хв | у °C | у °C |
| 1 | 3,3 | 4,4 |
| 5 | 5,1 | 4,5 |
| 10 | 6,0 | 4,7 |
| 15 | 7,4 | 5,9 |
Табл. 2: Без льоду
Перспективи
В озерах, наприклад, узимку замерзає лише поверхня, а не все озеро. На дні озера існують тепліші шари води, у яких і далі можуть виживати рослини й тварини. Це істотно для життя у водоймах холодних кліматичних зон.
Завдання
Питання