Учебно- экспериментально - исследовательский проект на тему «Диффузия вокруг нас»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей №1
г. Пролетарска Ростовской области
Учебно- экспериментально - исследовательский проект на тему:
«Диффузия вокруг нас»
Проект выполнил ученик 11 «Б»
Полковников Илья
Руководитель проекта учитель физики
Горобцова Г.С.
г.Пролетарск
2021-2022 год
Оглавление
- Введение
- Что такое диффузия ?
- История открытия диффузии
- Практическое применение явления диффузии в жизни человека.
4.1Сварка металлов
4.2Диффузионный аппарат
4.3Ядерный реактор
4.4Процесс металлизации
4.5 Процесс цементации
5.Роль диффузии в природе
5.1Питание растений
5.2Природная «навигация»
5.3Диффузия в человеке
5.4Вредное проявление диффузии
6.Применение диффузии в медицине
7.Экспериментальная часть
7.1Опыт 1
7.2Опыт 2
7.3Опыт 3
8.Вывод
9. Список литературы
Цель работы:Рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать общую значимость этого явления.
Задачи:
- Систематизировать свои знания, о процессе диффузии, через расширение теоретических знаний.
Показать значимость диффузии
-Продемонстрировать тесную связь физики, биологии, экологии, медицины.
Объект исследования:явление диффузии.
Методы исследования: информационные, экспериментально-аналитический.
Гипотеза: Приступая к работе над проектом, я предположил, что роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека имеет общую значимость; а также на основании жизненного опыта: что диффузия в газах распространяется быстрее чем в жидкостях и твёрдых телах.
Теоретическаязначимость проекта является: презентация, реферат.
Актуальность
Явление диффузии, мы изучали в курсе физики 7 класса, оно меня заинтересовало, и я решил углубить свои знания в практическом применении этого физического явления, его влияния на жизнедеятельность растений, животных и человека, расширить спектр своих знаний о живой природе, а также продемонстрировать тесную связь физики, биологии, экологии и медицины.
Введение
Диффузия - одно из самых значимых явлений в физике. Оно играет чрезвычайно важную роль в живой природе, его широко применяют в технике, и в быту.В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.Роль, которую играет диффузия в окружающем нас мире трудно переоценить. К сожалению, диффузионные процессы могут оказывать не только положительное, но и негативное влияние на жизнедеятельность растений, животных и человека.
Что такое диффузия?
Диффузия - явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе, но запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему так происходит? Просто движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях она меняет направление и скорость движения. Поэтому диффузионное проникновение молекул значительно медленнее их свободного движения.
Явление диффузии показывает, что молекулы все время хаотично движутся и притом в различных направлениях. Такое движение называется молекулярным тепловым движением. Диффузия, также доказывает, что между молекулами имеются промежутки.
Известно, что частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет. Скорость протекания диффузии зависит от: агрегатного состояния вещества; массы молекул; температуры.
История открытия диффузии.
В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».
Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколько угодно. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца – это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».
Практическое применение явления диффузии в жизни человека.
Сварка металлов.
Диффузия находит широкое применение в промышленности и повседневной жизни.
На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов.
Методом диффузионной сварки без применения припоев, электродов и флюсов является соединение между собой металлы, неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.
Диффузионный аппарат.
Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространеныглавным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе сводой.
Ядерные реакторы.
Существенную роль в работе ядерных реакторов играет диффузия нейтронов, то есть распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекулов газах и подчиняется тем же закономерностям.
В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, перемещение носителей заряда в полупроводниках обусловлено неоднородностью их концентрации. Для создания, например, полупроводникового диода в одну из поверхностей германия вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образовывается переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.
Процесс Металлизации.
На явлении диффузии основан процесс металлизации - покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала.
Применяется для защитыизделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях, так.
Процесс цементации
Диффузия широко используется в технике для повышения жаростойкости, твердости и прочности деталей машин. Так, например, для повышения твердости и износоустойчивости деталей машин осуществляют так называемую цементацию, сущность которой заключается в том, что детали помещают в ящики, наполненные порошкообразным углеродом, затем помещают в термическую печь и выдерживают в ней определенное время. Молекулы углеродом проникают между атомами (молекулами) поверхностного слоя стальной детали, образуя слои цементита. Чем выше температура печи и время выдержки деталей в ней, тем больше глубина науглероженного слоя металла. Также диффузия применяется для сглаживания резких цветовых переходов.
Роль диффузии в природе
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. 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 и инертные газы.
Питание растений
Удобрение почв тоже происходят с помощью диффузии. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
Природная «навигация»
Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.
Диффузия в человеке
Явление диффузии играет большую роль в жизни человека. Кислород проникает в кровяные капилляры легких путем диффузии через стенки альвеол, а затем растворяясь в них, разносится по всему организму, обогащая его кислородом.
Вредное проявление диффузии.
Не всегда диффузия полезна для человека. 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. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, различного рода химикаты.
Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.
Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»
Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения.
Искусственная почка — это аппарат, предназначенный для выведения из крови человека токсинов, скапливающихся в почках при их тяжелом поражении — обычно это хроническая и острая формы недостаточности почек.
Сам аппарат представляет собой машину весом около 80 кг, работающую по принципу насоса. Соответственно, кровь вначале принимается от пациента, затем тщательно очищается и возвращается обратно.
Благодаря ее особой структуре наружу выводятся только лишь токсичные вещества и патогенные бактерии, тогда как все важные микроэлементы и минералы остаются в организме в необходимом количестве.
Работа аппарата основывается на принципах диализа — это выведение низкомолекулярных веществ из растворов благодаря диффузии и разнице между осмотическим давлением с двух сторон целлофановой полупроницаемой мембраны.В результате организм человека избавляется от мочевины и ее соединений, образующихся во время метаболизма белков, креатинина, лишней жидкости, , различных ядовитых соединений, а также метилового и этилового спирта.
Гемодиализ — это наиболее популярный метод проведения лечения запущенных форм недостаточности почек. Такая процедура позволяет человеку продолжать вести активный образ жизни, несмотря на неполноценную работу почек.
Я изучив и проанализировав большой объем информации о применении явления диффузии в различных областях окружающей меня жизни, решил вышеизложенный материал подтвердить экспериментальными опытами.
В первом опыте, используя стакан с горячей водой,стакан с холодной водой и 2 пакетика чая, я опустил одновременно в эти стаканы пакетики.
И наблюдая, что в горячей воде чай быстрее окрашивает жидкость, я пришел к выводу: скорость диффузии зависит от температуры, т.е. чем выше температура, тем больше скорость молекул взаимодействующих тел.
Опыт №2
Во втором опыте в кабинете физики, в углу я распылил освежитель воздуха, и через несколько секунд почувствовал его запах. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы освежителя много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всему кабинету. Я сделал вывод, что скорость диффузии в газах выше чем в жидкостях.
Опыт №3
В третьем опыте я взял сырой картофель, ватку, банку, йод. Разрезал картофель на две части. На одну часть капнул йод, так как картофель содержит крахмал, то йод окрасит его в темно-синей цвет. На дно банки опустил вату, смоченную йодом, и накрыл стакан второй половинкой картофеля. Через 30 мин на картофеле появился темно-синий круг. Произошла возгонка йода, пары йода продиффундировали (проникли) в картофель.
Обобщая полученные результаты из проведенных опытов, необходимо обратить внимание на скорость протекания процесса проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества по времени.Опыты подтвердили мою гипотезу, диффузия в газах распространяется быстрее чем в жидкостях и твёрдых телах.
Вывод
Выполняя проект, я углубил свои знания по очень важному явлению,без которого жизнь на Земле была бы не возможна, показал отрицательные стороны,систематизировал свои старые знания, рассмотрел его роль в природе и жизнедеятельности человека, доказал важное значение этого явления.
Моя гипотеза оказалась верной, действительно, диффузия в газах распространяется быстрее чем в жидкостях и твёрдых телах. Этот проект я могу предложить учителям для привлечения большего внимания школьников к этому физическому процессу и предмету физика.Теоретической значимостью проекта является презентация, реферат.
Список литературы
Статья Диффузия — Википедия (wikipedia.org)
https://microschool.io/ru/book/physics/diffuziya-v-gazah-zhidkostyah-i-tverdyh-telah
https://infourok.ru/diffuziya-vokrug-nas-opitnoeksperimentalnaya-rabota-1610526.html
https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2015/03/23/proekt-diffuziya-vokrug-nas
https://school-science.ru/5/13/34064
https://pandia.ru/text/80/402/1528.php
