Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа с. Тальники

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследовательская работа по физике

 

Роль диффузии в природе

 

 

 

 

 

Выполнила: Берестенко Виктория, ученица МКОУ СОШ с. Тальники 7  класса Руководитель: Труфанова Наталья Валерьевна, учитель информатики и физики секция естественно – математических наук «Радикал»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение                                                                                                                                      3

§1 Роль диффузии в природе                                                                                                     4

§2 Влияние человека на протекание диффузии в природе                                                     6

§3 Экспериментальная часть                                                                                                     7

Заключение                                                                                                                               12

Список использованной литературы                                                                                      13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.            

С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.

Диффузия  встречается не только в жизни, быту, но и в сказках, пословицах, поговорках. Вот, например, старая ассирийская сказка «Царь Зимаар»: «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз». Именно это явление спасло Аяза и помогло муравью найти камеру.

Некоторые распространенные пословицы и поговорки мы может объяснить только благодаря знанию явления диффузии.

1. Ложка дёгтя в бочке мёда.

2  Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее

3. Овощной лавке вывеска не нужна.

Цель:

Исследовать особенности протекания диффузии в газах, жидкостях и в твердых телах и выяснить применение диффузии человеком и проявление диффузии в природе,

рассмотреть роль диффузии в экологическом  равновесии природы и влияние человека на процессы диффузии.

       Задачи:

1. Изучить материал о роли диффузии в природе

2. Провести некоторые опыты, демонстрирующие явление диффузии в природе

3. Провести опрос людей о роли диффузии в природе

3. Проанализировать  полученную информацию, сделать выводы о роли диффузии в экологическом равновесии природы.

Методы:

Изучение литературных и других информационных источников, проведение экспериментов,  социологический опрос, анализ информации и результатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 РОЛЬ ДИФФУЗИИ В ПРИРОДЕ

 Диффузия (от лат. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание) - это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе. При этом запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему же так происходит? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. 

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым  костра распространяется на большие расстояния.  

Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

Благодаря явлению диффузии  нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот  инертные газы.  (приложение 1 и 2)

      В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано  у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»

      В  жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту  загадку открывает явление диффузии.  Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости

     Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив  сладкий объект, штурмуют его своим роем.

  А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки. (приложение 3)                                                                             

    Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии.  Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

       Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.

       На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

1.2. ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА НА ПРОТЕКАНИЕ ДИФФУЗИИ В ПРИРОДЕ.

К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую  роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире  исчисляется десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в  бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.

Вследствие  явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.

       Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе. (Учитывая глобальное потепление, важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения температуры окружающей среды.)  (приложение 4).

1.3. ДИФФУЗИЯ В РАСТИТЕЛЬНОМ МИРЕ

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

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

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

В процессе обмена веществ, при расщеплении сложных питательных веществ или их элементов на более простые, происходит освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.

 

1.4. РОЛЬ ДИФФУЗИИ В ПИТАНИИ РАСТЕНИЙ.

Основную роль в диффузионных процессах в живых организмах играют мембраны клеток, обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение веществ через мембрану зависит от:

•   размеров молекул;

•   электрического заряда;

•   от присутствия и числа молекул воды;

•   от растворимости этих частиц в жирах;

•   от структуры мембраны.

Существует две формы диффузии: а) диализ – это диффузия молекул растворенного вещества; б) осмос – это диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому происходит диффузия из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Затем концентрация воды в этих клетках становится выше чем в вышележащих – возникает корневое давление, обуславливающее восходящий ток сока по корням и стеблю, а потеря воды листьями обеспечивает дальнейшее поглощение воды.

Минеральные вещества в растение поступают: а) путем диффузии; б) иногда путем активного переноса против градиента концентрации, сопровождающееся расходом энергии. Различают также тургорное давление – это давление, оказываемое содержимым клетки на клеточную стенку. Оно почти всегда ниже осмотического давления клетки сока, т.к. снаружи находится не чистая вода, а солевой раствор. Значение тургорного давления:

- сохранение формы растительного организма;

- обеспечение роста в молодых клетках растений;

- сохранение упругости растений (демонстрация растений кактуса и алоэ);

- формообразование при отсутствии арматурной ткани (демонстрация помидора);

 

 

 

 

1.5. ВРЕДНОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ

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

Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Такие фильтры установлены, например на ТЭЦ в Ленинском районе Челябинска, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ.

2.1 ЭКСПЕРИМЕНТ.   Наблюдение проникновения атомов (молекул) одного вещества между молекулами другого вещества. (опыт с перманганатом калия и бумагой смоченной водой).

Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы: бумага смоченная водой, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: Взяли   кусочек   салфетки   и   капнули   на  него   немного   воды   (приложение 5).   Вода растеклась по поверхности. Взяли несколько кусочков марганцовки и положили на бумагу. Стали наблюдать за происходящим. Через 2-3 секунды, вокруг кусочков с марганцовкой образовались видимые пятна бордового цвета (приложение 6). А еще через 15 секунд пятна увеличились почти вдвое (приложение 7). Этот процесс продолжался до тех пор, пока все кусочки  полностью не растворились. Здесь мы пронаблюдали  проникновение атомов (молекул) марганцовки между молекулами воды.  А это и есть диффузия.

2.2 ЭКСПЕРИМЕНТ.    Наблюдение растворения кусочков гуаши  в воде, при неизменной температуре ( при t = 22°С)

Взяли кусочек гуаши синего цвета и сосуд с чистой водой при температуре 22 °С (приложение 8). Положили в сосуд кусочек гуаши (приложение 9) и начали наблюдать за происходящим. Через 13  минут вода в сосуде начинает окрашиваться в цвет гуаши (твердого тела) (приложение 10). Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ гуаши. С момента начала опыта прошло 30 минут. Цвет воды становится более интенсивным (приложение 11). Молекулы воды проникают между молекулами гуаши, нарушая силы притяжения. С начала эксперимента прошло 1 час 25 минут (приложение 12). Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества (гуаши). Процесс растворения гуаши закончился (приложение 13). Время прохождения эксперимента 3 часа 36 минут. Вода полностью окрасилась в цвет гуаши.

Таким образом, явление диффузии это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

2.3         ЭКСПЕРИМЕНТ. Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры.

Цель: изучить, как температура  воды влияет на скорость  протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры – 2 шт, часы – 1 шт, колбочки – 2шт, чай.

Описание опыта и полученные результаты: (опыт приготовления чая при начальной температуре 19°С и при температуре 89° С в двух колбочках). Взяли два сосуда с водой при t=19 °С и t=89 °С. На рисунках показано протекание  эксперимента  через  определенное  время  от  начала:  в  начале эксперимента - рис.11, через 30 с. - рис.12,  через 1 мин. - рис.13,  через 2 мин. - рис.14, через 5 мин. - рис 14, через 15 мин. - рис.16. Из этого опыта можно сделать вывод о том,   что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания   диффузии.

2.4 ЭКСПЕРИМЕНТ.  Наблюдение диффузии в газах (опыт с освежителем воздуха)

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы:  часы с секундной стрелкой, освежитель воздуха.

Описание опыта и полученные результаты: В кабинете физики в одном углу распылили освежитель воздуха,  и через полторы минуты почувствовали запах освежителя. Отсюда можно сделать следующий вывод: в газах диффузия протекает значительно быстрее, чем в жидкостях. Это обусловлено тем, что между молекулами газа расстояние значительно больше, чем между молекулами жидкости, а значит и молекулы одного вещества быстрее проникают между молекулами другого вещества. Значит, и диффузия происходит быстрее.

2.5 ЭКСПЕРИМЕНТ.  Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии

Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры – 4 шт, часы – 1 шт, тарелки – 4 шт, теплая вода, бензин, керосин, растительное масло.

Описание опыта и полученные результаты: в тарелки была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (34 градуса), затем в одну тарелку был налит бензин (5 мл), во вторую – керосин  (5мл), в третью – растительное масло (5 мл), в четвертой вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 15 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений зафиксированы в таблице. (приложение )

При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.

Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.

3.      СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ ОПРОС

Цель опроса: привлечь внимание людей к экологической проблеме, а также узнать, как они информированы об этой проблеме и что делают на бытовом уровня.

Содержание:

1. Влияет ли диффузия на экологию?

           Да.                               Нет.                                          Затрудняюсь ответить

2. Важно ли для вас лично информация об экологии?

           Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

3. Как вы думаете, можно ли защитить природу?

           Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

4. Задумываетесь вы о нашей проблеме?

           Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

5. Готовы ли вы участвовать в улучшении экологии за предварительную плату?

          Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

6. Хотите ли вы изменить экологию в лучшую сторону?

          Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

7. Хотите ли вы получить дополнительные знания об экологии?

          Да.                                     Нет.                                               Затрудняюсь ответить

 

Методика проведения социологического опроса по проблеме экологии

Я опрашивала людей по заранее разработанной анкете, на позиции были даны готовые предполагаемые ответы.

Опрос проводился анонимно. Было опрошено 15 школьников с 7 по 9 класс и 24 взрослых человека. Так как ответы взрослых и школьников записывали разным цветом, то была возможность подсчитать, как отвечали школьники и взрослые. Опрашивались как знакомые (большинство) так и случайные прохожие на улице.

Анализ результатов

       Результаты социологического опроса показали, что взрослых гораздо чаще волнуют проблемы экологии. Так, из опрощенных нами взрослых на вопрос: “ Влияет ли диффузия на экологию?” утвердительно ответили 42% взрослых и в 3 раза меньше - 13% школьников и отрицательно – 29,4% взрослых и 60% школьников. Следовательно, в школе уделяют мало внимания этой проблеме. Что нас это огорчило. В целом задумываются над этим вопросом 29,8% опрошенного населения и 42,1% – не задумываются.

        Возможно, что взрослые, несмотря на анонимность анкетирования, хотели показаться перед нами более “правильными”, но, может быть, им чаще приходится сталкиваться с экологическими проблемами в повседневной жизни.

На основании проведенного опроса можно сделать следующие выводы:

1.              Жители нашего района уделяют недостаточное внимание проблеме экологии.

2.              Взрослые чаще задумываются над этой проблемой.

3.              При анкетировании жителей некоторые впервые задумались над проблемой экологии.

4.      ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные  процессы в природе.

Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришла к выводу, что надо почаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.

Проведя данную исследовательскую работу, я пришла к выводу, что экологическое воспитание надо осуществлять с малых лет.

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЯ

1.      Алексеев С.В., Груздева М.В., Муравьёв А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии. М. АО МДС, 1996 г.

2.      Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. М. Просвещение,1996

3.      Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. 1995 г.

4.      Чуянов В.А. Энциклопедический словарь юного физика. 1999 г.

5.  И.Г. Кириллова. Книга для чтения по физике. М. «Просвешение» 1986 г

6.               А.В. Перышкин. Учебник по физике 7 класс. М. «Просвещение» 2005 г

7.              Газета «Физика 1 Сентября» №5/2005г, №18/2005г, №23/2005г

8.              Википедия (Свободная энциклопедия)

9.              Ресурсы Интернет