Исследовательская работа "Физика на кухне"

Введение

Исследовательский проект «Физика на кухне» предназначен для учащихся средней школы, может быть использован в качестве дополнительного материала при изучении некоторых разделов физики, таких, как: взаимодействие тел, давление жидкостей и газов, работа, мощность, энергия, изменение агрегатного состояния вещества.

Основополагающим вопросом данного проекта является вопрос о том, как физика «хозяйничает» на кухне? Перед учеником стоят проблемные вопросы: Какие физические процессы и явления можно обнаружить на кухне? Можно ли применить знания по физике для приготовления еды?

Для ответа на эти вопросы нужны некоторые экспериментальные исследования, а значит необходимо провести   следующие опыты:

• Как быстро закипает вода в разных условиях?
• Почему окрашивается вода при заваривании чая и, в  стакане из какого материала  этот процесс происходит быстрее?
• Почему картофель в воде весит меньше, чем при первоначальном взвешивании?
• Почему ягоды сушеного винограда (изюма) то поднимаются, то опускаются в стакане с газированной водой?
• Почему полиэтиленовый пакет «прилипает» к руке после его разглаживания?
• Из каких кружек лучше пить чай?

Объектом исследования являются продукты питания (вода, гранулированный чай,  скорлупа ореха, сырой картофель, изюм, газированная вода).

Предмет исследования - предметы, которые используются на кухне (посуда,  соломинка для коктейля),  бытовые приборы (безмен).

Цель исследования: научиться проводить исследование различных физических явлений, понять природу происхождения этих явлений, объяснить эти явления с применением фундаментальных основ физики.

Задачи  исследования:

• Подобрать и изучить литературу, позволяющую объяснить физические явления, происходящие на кухне (в том числе использовать интернет – ресурсы);
• рассмотреть теорию явлений, встречающихся на кухне
• провести исследования в виде практических заданий (опытов);
• подтвердить или опровергнуть выдвигаемую гипотезу о том, что многие процессы, изучаемые в курсе физики, имеют практическое применение в быту (в частности, на кухне).

Теория явлений, встречающихся на кухне

Кипение

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре [2, 44.]

При нагревании воды в открытом стеклянном сосуде, испарение воды с поверхности усиливается, иногда даже можно заметить над ней туман. Это водяной пар конденсируется в воздухе при охлаждении, образуя мельчайшие капельки. При дальнейшем повышении температуры, заметно появление многочисленных пузырьков. Их размеры постепенно растут. Это пузырьки воздуха, который растворен в воде. При нагревании излишек воздуха выделяется из воды в виде пузырьков. В них содержится насыщенный водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. По мере дальнейшего нагревания воды пузырьки становятся крупнее и многочисленнее. С ростом размеров пузырьков возрастает и сила, выталкивающая их из воды, и они всплывают. в этот момент слышен шум, который предшествует кипению. При определенной температуре с приближением к поверхности жидкости объем пузырьков резко возрастает. На поверхности они лопаются, и находившийся в них насыщенный пар выходит в атмосферу – вода кипит. В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре, кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости температуре. Поэтому, например, при варке пищи нужно уменьшать огонь, после того, как вода закипит.

Диффузия

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое- либо пахучее вещество, например духи, то запах будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов движутся. Возникает вопрос: почему запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Такое же  явление происходит и в воде. Молекулы воды, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему, жидкость в сосуде становится одного цвета. Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией [1, 22]. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.

     Капиллярный эффект

Капиллярность (от лат. capillaris — волосяной), капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах (салфетка). Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте, салфетке.

Давление в жидкости

На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление на другие слои. Значит, внутри жидкости существует давление.  Внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. По определенной формуле можно рассчитать давление жидкости на дно и стенки сосуда.  Если рассчитывать давление жидкости на дно сосуда, то формула выглядит так: где h – высота сосуда, g – ускорение свободного падения,  – плотность [1,91]. Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности и высоты столба  жидкости. Поэтому, по ней можно рассчитывать давление жидкости, налитой в сосуд любой формы и по ней же можно вычислить давление на стенки сосуда.  

Теплопроводность

Явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой называется теплопроводностью [2, 10]. При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах. Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так для кастрюль, сковородок ручки изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью,  а значит, предохраняют помещения от охлаждения.

Архимедова сила и плавание тел

Сила, выталкивающая целиком погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости в объеме этого тела. Силу, выталкивающую тело из жидкости или газа, называют архимедовой силой, в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на ее существование и рассчитал ее значение [1.117]. Архимедова сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело, и от объема этого тела. Но она не зависит, например, от плотности вещества тела, погружаемого в жидкость. Если тело погружено в жидкость (или газ), то оно теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ).

На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести (направленная вертикально вниз)   и архимедова сила (направленная вертикально вверх). Рассмотрим тело, которое находится в неподвижном состоянии и посмотрим, что с ним произойдет  под  воздействием этих сил. При этом возможны три случая:

1. если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, т.е. тонуть
2. если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т.е. тело плавает
3. если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости,  т.е. оно всплывает.

Если проделать опыты с любыми телами, плавающими в разных жидкостях – в воде, спирте, растворе соли, то убеждаемся, что если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе.

Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость. При равных плотностях тела и жидкости тело плавает внутри жидкости на любой глубине.

Статическое электричество

С эффектом статического электричества мы сталкиваемся каждый день неоднократно: погладив кошку, мы можем получить небольшой разряд током; надевая шерстяной свитер видны искры в темноте; полиэтиленовый пакет притягивает к себе кошачий волос. Это лишь малая доля примеров из быта, когда статическое электричество проявляет себя. Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков [3]. С точки зрения физики человек – это живая электростанция, в каждой клетке  его тела множество генераторов – митохондрий, непрерывно вырабатывающих энергию в организме в виде статического электричества. Статистическое электричество способно накапливаться в различных предметах, окружающих человека: ковры, синтетическая одежда, обувь и т.д.   «Лишнее» электричество может привести к сбоям в организме. Его обязательно нужно выводить способом заземления. «Сбросить» ее не трудно: нужно лишь на несколько минут прикоснуться к металлическим предметам, например, к дверной ручке.

Практикум

Кипение

Опыт №1. Как быстро закипает вода в разных условиях?

Необходимое оборудование: кастрюля с крышкой, 1 литр воды, газовая плита.

Проверим,  как быстро закипает вода в разных условиях. Рассмотрим 1 случай: кастрюля закрыта крышкой. Для этого возьмем кастрюлю с крышкой, нальем в нее  1 литр холодной воды и поставим на огонь, накрыв крышкой. Вода закипела через 6 минут. При нагревании воды активизируется процесс испарения, а при испарении увеличивается теплоотдача. То есть тепло из воды, с паром уходит в атмосферу. Крышка на кастрюле значительно замедляет испарение и, соответственно, ускоряет процесс закипания. Если крышка закрыта, то над поверхностью воды воздух и пар тоже становятся очень горячи - и охлаждения с поверхности нет, вода закипает быстрее.

Случай 2: если нет крышки на кастрюле. Если крышка открыта, то зеркало воды соприкасается с воздухом кухни, с холодным, то есть с поверхности вода несколько охлаждается все время. Изменилось и время закипания воды. Теперь оно составило 8 минут.

Случай 3: постоянно помешиваем воду в кастрюле.  Если воду постоянно помешивать, то закипание произойдёт позже, чем с закрытой крышкой и открытой крышкой, так как при помешивании увеличивается площадь испаряемой поверхности и, соответственно, время нагрева воды до температуры кипения. Время закипания составило 9,5 минут.

Диффузия

Опыт №2. Почему при заваривании чая окрашивается вода?

Необходимое оборудование: Три стакана, кипяток, теплая вода, холодная вода, щепотка гранулированного чая.

Возьмем три стакана. В первый стакан нальем кипяток, во второй теплую воду и в третий холодную воду. Объем воды был одинаковым, примерно половина стакана в каждом. В каждый стакан внесем щепотку гранулированного чая. В стакане с кипятком вода окрасилась быстрее, чем в других стаканах, т.к., чем выше температура воды, тем быстрее происходит окрашивание воды при заваривании чая.

Вывод: Молекулы воды, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему, жидкость в сосуде становится одного цвета. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул. 

Капиллярный эффект

        Опыт №3. Какая салфетка лучше впитывает воду: сухая или немного увлажненная?

       Необходимое оборудование: хлопковая салфетка, салфетка из вискозы, салфетка из акрила, салфетка из микрофибры, влажная салфетка,  кухонный стол, вода.

Нальем на кухонный стол немного воды. Попробуем его вытереть абсолютно сухой салфеткой из хлопка, а затем немного влажной, предварительно обильно её намочив и отжав. Повторим опыт для каждой из имеющихся салфеток. Тряпки из разных материалов обладают разным капиллярным эффектом (способностью впитывать воду).

 Хлопок лучше всех из натуральных тряпок впитывает влагу и пропускает воздух. Хлопковая тряпка устойчива к изгибам, растяжениям и многократным стиркам. Однако тряпка из хлопка не отличается хорошей формоустойчивостью,  и со временем дает большую усадку.

Вискоза -  синтетическая ткань, созданная из целлюлозы, имеет высокую прочность именно во влажном состоянии. Этот материал довольно гигроскопичен, но имеет недостаток – требует особого ухода. Такую тряпку нельзя мочить горячей водой, а при обильном смачивании она теряет прочность.

 Искусственная ткань акрил очень плохо впитывает жидкость, поэтому ее эффективно использовать для натирания паркета.

Микрофибра очень эффективно забирает грязь, пыль и воду. Она хорошо впитывает влагу и по своим свойствам похожа на губку. Такая тряпка никогда не полиняет и после длительного использования не потеряет свой внешний вид.

Вывод: При  проведении данного опыта стало ясно, что немного влажная салфетка впитывает воду со стола лучше, чем сухая. Это явление объясняет капиллярный эффект.

Давление в жидкости

Опыт №4. На высоте какого отверстия струя из бутылки будет мощнее?

Необходимое оборудование: пластиковая бутылка, вязальные спицы.

Возьмем пластиковую бутылку. С помощью вязальной спицы проделаем отверстия в бутылке на высоте 5,10,15,20 см от дна. Поставим бутылку в раковину и будем наблюдать, как вода вытекает из бутылки через проделанные отверстия. Для этого поставим бутылку в раковину. Понаблюдаем за струями. Чем ниже расположено отверстие в бутылке, тем мощнее (быстрее) из него вытекает вода. Данное явление объясняется разным давлением воды на разных уровнях. Чем ниже расположено отверстие, тем более большая масса воды создаёт более большее давление, т.е. наблюдается прямо пропорциональная зависимость.   

Опыт  №5. Почему вода из соломинки для коктейля не выливается?

Необходимое оборудование: стакан с водой, соломинка для коктейля, пустой стакан.

Возьмем стакан с водой и опустим в него соломинку для коктейля. Один конец соломинки  опустим в воду, а другой - зажмем пальцем. Поднимаем соломинку и переносим ее в другой стакан. Таким способом можно перенести всю воду, взятую в стакане с водой, в пустой стакан. Закрывая пальцем верхнее отверстие, мы не позволяем воздуху оказывать давление на жидкость сверху, давление же воздуха снизу  оказывается сильнее, чем сила тяжести, что не позволяет жидкости вытекать.

Вывод: Когда мы убираем палец, воздух давит на жидкость и сверху, и снизу одинаково, но так как силу тяжести уже никто не компенсирует, под её воздействием  жидкость вытекает. По той же причине, мы можем пить жидкости через трубочку, например, сок из пакета.  

 Архимедова сила и плавание тел

Опыт №6. Почему цветок внутри стакана остается «сухим»? 

Необходимое оборудование: Скорлупа грецкого ореха, пластилин, бумажный цветок, глубокая чашка или пластиковый контейнер, вода и пустой стакан.

Возьмем половинки скорлупы  грецкого ореха. С помощью пластилина закрепим в них бумажный цветок. В контейнер или глубокую чашку нальем воды и осторожно опустим «кораблик» на поверхность воды. Очень осторожно накроем перевернутым вверх дном пустым стаканом полученный предмет и станем опускать его на дно. Затем начнем осторожно поднимать стакан вверх. К нашему удивлению, цветок снова окажется на поверхности и останется сухим.

Вывод: Оказывается, при равномерном опускании стакана в воду дном вниз воздух в стакане будет сжиматься за счёт давления воды снизу. Вода не попадает во внутрь стакана потому, что давление воздуха внутри стакана больше давления воды. Вода может попасть внутрь стакана только при условии уравнивания давлений воды и воздуха.  

Опыт №7. Почему показания безмена разные?

Необходимое оборудование:  картофель сырой, безмен, банка,  

наполненная водой.

Перед нами клубень сырого картофеля. Обвяжем его нитками и взвесим. Перед началом опыта картофель весил 0,22 кг. Теперь будем опускать картофель в банку с водой. Сразу же увидим разницу в показаниях. Если даже опустить картофель на небольшую глубину, то вес клубня становится меньше, теперь он  составляет 0,18 кг.   С увеличением глубины, вес картофеля постоянно уменьшается. И, наконец, когда картофель будет на дне в подвешенном состоянии, то его вес будет равным 0 кг. Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес.

Вывод: При погружении тела в жидкость, вес уменьшается из-за появления в жидкости выталкивающей силы (силы Архимеда). В воздухе на тело действует сила тяжести и сила упругости пружины безмена, который и будет показывает вес тела. В жидкости к этим двум силам добавляется выталкивающая сила. Так как  безмен показывает «0», то сумма сил равна нулю.

Опыт №8. Почему картофель всплыл?

Необходимое оборудование:  Два стакана, вода, 2 столовые ложки соли,  

брусочки сырого картофеля.

Возьмем два стакана, наполним их до половины водой. В один стакан добавим две столовые ложки соли и размешаем. В каждый стакан опустим по одинаковому брусочку сырого картофеля. Наблюдаем следующее явление: в том стакане, где вода пресная, картофель лежит на дне. В стакане с соленой водой начинается процесс  всплытия, т.е. брусочек картофеля стал  находиться на некотором расстоянии от дна стакана. И, если мы начнем добавлять в стакан с соленой водой пресную воду, то постепенно картофель начинает  опускаться, и, наконец, брусок окажется на дне стакана. Так как вода находится в жидком состоянии, между молекулами воды есть еще пространство. Когда мы медленно насыпаем соль в полный стакан воды и размешиваем, молекулы соли будут занимать пустое пространство между молекулами воды, пока раствор не достигнет  насыщения,  когда соль перестанет растворяться.

Вывод: При добавлении соли в воду плотность воды увеличивается и становится больше плотности картофеля. Более плотная и тяжёлая вода выталкивает лёгкий картофель на поверхность, а пресная вода (без добавления соли) имеет более меньшую плотность, чем у картофеля и не способна вытолкнуть его на поверхность.

Опыт №9. Почему изюминка плавает?

Необходимое оборудование: Стакан, газированная вода, несколько ягод сушеного винограда (изюм), вода.

Нальем в стакан газированную воду и бросим в нее несколько ягод сушеного винограда (изюм). Сразу же мы станем наблюдать следующий процесс: изюминки опускаются  на дно вниз, т.к. они тяжелее воды. На ней (изюминке)  сразу же образовались пузырьки газа и,  вскоре, их стало так много, что изюминка всплыла. Но на поверхности пузырьки лопаются  и газ улетучивается. Отяжелевшая изюминка вновь опускается на дно. Там она снова покрывается пузырьками газа и снова всплывет. Этот процесс повторялся   несколько раз, пока вода не "выдохнулась",  т.е. большая часть газа не улетучилась.

Вывод: Газ легче, чем вода и стремится на её поверхность, помогая изюминке подняться.

Теплопроводность

Опыт №10. определяем, в какой кружке чай остывает быстрее и почему?

Необходимое оборудование: Несколько кружек для чая из различных       материалов (сталь, фаянс, пластмасса, керамика и т.д.), термометр для определения температуры воды со шкалой до 100 , мерный стакан, вода,  чай.

Вскипятим воду. Мерным стаканом нальем в каждую кружку одинаковое количество воды – 100 мл. Кружки должны быть одной формы – цилиндрической, например, высота, диаметр и толщина стенки должны быть одинаковыми. В каждую кружку поместим термометр и начнем записывать показания через каждые три минуты, пока температура не опустится  до 30. Когда мы впервые измерили температуру, то оказалось, что самая высокая температура была в кружке из фаянса (86, а самая низкая – в кружке из нержавеющей стали. Причем,  температура воды в кружке из пластмассы отличалась совсем на небольшую величину от температуры воды в кружке из нержавеющей стали. Показания снимались  каждые три минуты, и, когда прошло 44 минуты, то вода остыла до 30  в кружке из пластмассы. В кружке из нержавеющей стали она остыла до контрольной температуры через 50 минут, в кружке из керамики – через 52 минуты, а в кружке из фаянса – через 59 минут. По результатам исследования был построен график.

Вывод:  Теплопроводность – это способность материала абсорбировать и передавать энергию. Нагретый предмет передает энергию соседним материалам, которые имеют более низкую температуру. Чем выше теплопроводность, тем быстрее нагревается данный предмет и тем быстрее нагретые части данного предмета передают тепло еще не затронутым частям. 

Для тех, кто любит горячий чай, нужно взять керамическую или фаянсовую кружку. А тем, кто хочет, чтобы чай остыл побыстрее – пластмассовую или металлическую.

Статическое электричество

     Опыт №11. Прилипает к рукам полиэтиленовый пакетик. Почему?

     Необходимое оборудование: Полиэтиленовый пакетик, кухонный стол.

     Положим на стол полиэтиленовый пакетик. Его разгладим тщательно рукой. Теперь поднимем за уголок и увидим, как он «прилип» в руке. Почему это произошло? Это объясняется тем, что все предметы имеют определенный электрический заряд. В результате трения между двумя различными материалами происходит разделение электрических разрядов. При этом тела, имеющие противоположные заряды, притягиваются друг к другу, а одинаковые отталкиваются. Теперь возьмем два таких пакета. Положим их параллельно и очень тщательно разгладим. Поднимаем их за уголочки и пытаемся сблизить. Этого сделать не удается. Пакеты «смотрят» в разные стороны. В нашем случае поверхность руки и пакета, потёртого о стол, имели противоположные электрические заряды, а одинаковые пакеты, потертые о стол, имели заряды одного знака (одинаковые).

Заключение и выводы

Проведенные опыты объясняют ряд обыкновенных явлений, к которым мы привыкли и, сталкиваясь с ними в жизни, не задумываемся об их причине. Исследовав данную проблему в своем проекте,  я пришла к следующему выводу:  гипотеза о том, что многие процессы, изучаемые в курсе физики, имеют практическое применение в быту (в частности, на кухне), нашла свое подтверждение. Работа  над данным проектом показала, что  знание  законов физики – это объективная необходимость.   Можно все процессы объяснить, а для этого необходимо тщательно изучать данный предмет.  

Список использованной литературы

1.  Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд., испр. – М.: Дрофа,2001
2. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа,2001
3. Перельман Я.И. Физическая смекалка. Занимательные задачи и  опыты по физике для детей. – М., омега, 1994
4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1994
5. http://Wikipedia.org