XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Хрустальная геометрия

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Рожкова А.И. 1

---

1МБОУ "СОШ № 7 г.Кировска"

Дмитриева Л.В. 1

---

1МБОУ "СОШ № 7 г.Кировска"

Работа в формате PDF

7.7 MB

ВВЕДЕНИЕ

«Снежинки белые летят,
Кружатся в хороводе.
И красотой своей манят,
К загадочной природе».

(Надежда Ямщикова)

Когда падает снег, становится тихо, чтобы мы могли услышать стук сердца и волнительное звучание струн души…

А когда ещё идет снег - снежинки падают тебе, а лицо и мгновенно тают. Ты понимаешь, как коротка их жизнь, даже бабочки живут дольше. Ведь снежинки - это «мухи в ночнушках». Каждая снежинка, вылетая из своего облака, не понимает, что с ней, где она и что её ожидает. Она летит, ожидая чуда.

Миллионы снежинок кружатся, вертятся и все вместе напоминают накатывающие белые волны. Проблема моей исследовательской работы заключается в том, чтобы ответить на множество возникающих вопросов. А вам интересно как образуются снежинки? Мне очень. Неужели среди них действительно нет одинаковых? Почему они имеют такую красивую форму? Может на небе есть станок «печатающий» снежинки? Эти размышления и побудили меня узнать все о снежинках.

Гипотеза: предположим, что все снежинки имеют разную форму, и их нельзя создать в домашних условиях.

Цель: изучить строение снежинок в том числе путем их «приготовления».

Задачи:

1. Изучить историю снежинок, их формы;

2. Изучить процесс образования «снежинок»;

3. Провести опыт-эксперимент по изготовлению снежинки в домашних условиях;

4. Создать свой альбом снежинок по таблице Накайя.

Объект исследования: природное явление - снежинка, взятая в окрестностях города Кировска.

Методы исследования:

• Анкетирование

• Наблюдение

• Изучение литературы

• Интернет -ресурсы

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 ИЗ ИСТОРИИ СНЕЖИНОК

Многие знают, что в мире не существует двух одинаковых снежинок, и каждая из них - это уникальное произведение природы. Однако, чтобы этот факт стал общеизвестным, потребовались многие годы наблюдений, которые сделали учёные прошлого и современности.

В 1611 году немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер «разложил» снег на составные части в трактате «О шестиугольных снежинках». Однако некоторые учёные считают, что Кеплер лишь продолжал работу своего датского коллеги Тихо Браге, чьи рисунки снежинок дошли до наших дней. Зарисовками снежинок занимался и Роберт Гук в 1665 году, который использовал для этого усовершенствованный им микроскоп. Позднее, уже в XIX веке Уильям Скорсби создал первую в мире классификацию снежинок и заодно установил связь между формой кристаллов и температурой воздуха.

С изобретением фотографии множество снежинок попало на снимки российского фотолюбителя Андрея Сигсона. Чтобы не повредить кристаллики, он специально охлаждал руки и дышал через воздуховод. В результате Сигсон получил серебряную медаль Политехнической выставки в 1872 году и ревматизм кистей рук. По его стопам пошёл Вильсон Бентли, который в 1885 году опубликовал книгу с изображениями более 5000 снежинок, сделанных под микроскопом.

В первой половине XX века японский учёный Укисиро Накайя исследовал тысячи снежинок и предложил классификацию кристаллов льда на 40 категорий (рис.1). Он предложил диаграмму зависимости форм снежинок от температуры и влажности, а на базе его идей позже создали международную классификацию. В попытке изучить тайну появления снежинок учёные пытались воссоздать этот процесс (Приложение 1).

Рис.1 Классификация кристаллов льда Накайя

В середине XX века изобретатель Винсент Шефер и химик Ирвинг Ленгмюр научились управлять конденсацией влаги с помощью сухого льда. Это открытие привело к появлению современных методов управления погодой. Схожий аппарат для выращивания снежинок создал Кеннет Либбрехт, автор атласов и научно-популярных книг о снежинках. Он консультировал авторов мультфильма «Холодное сердце», а созданные им снежинки попали на марки США.

В середине XX века изобретатель Винсент Шефер и химик Ирвинг Ленгмюр научились управлять конденсацией влаги с помощью сухого льда. Это открытие привело к появлению современных методов управления погодой. Схожий аппарат для выращивания снежинок создал Кеннет Либбрехт, автор атласов и научно-популярных книг о снежинках. Он консультировал авторов мультфильма «Холодное сердце», а созданные им снежинки попали на марки США.

1.2. ЧТО ТАКОЕ СНЕЖИНКА?

Снежинки - это кристаллы воды, которые образуются в облаках, которые, в свою очередь, состоят из водяного пара. Снежинки выпадают в виде осадков, когда температура воздуха опускается ниже точки замерзания воды, т.е. 0°C Цельсия. Снежинки имеют размер до нескольких миллиметров и замысловатые узоры, которые отражают свет, придавая им мерцающий (блестящий) вид.

Мы узнали, что снежинка имеет форму шестиугольника. Почему, возникает вопрос? Оказывается, образование снежинок - это определенный процесс. При замерзании воды образуются кристаллы. Это, значит, что молекулы выстраиваются особым порядком, образуя геометрическую форму. Так получилось, что эта молекула состоит из трех частиц - двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому при кристаллизации она может образовать трех, а затем и шестиугольную форму.

В разные дни снег падает по разному, какие снежинки будут падать сегодня, зависит от погоды. На образование снежинок влияют несколько факторов:

• Температура – влияет на появление снежинок. При температуре 0° C или ниже вода из жидкой формы превращается в лед.

• Влажность – влияет на форму и размер. Чем больше влажность и ниже температура, тем крупнее получатся снежинки;

• Ветер – влияет на целостность снежинок. При сильном ветре мы не увидим целых.

В 1955 году русский ученый Александр Заморский разделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые.

Свойства снежинок:

1. Снежинки приобретают разные геометрические формы. Это зависит от факторов ее образования. Наиболее часто встречающимися формами снежинок являются дендриты, звёзды, пластинки и столбики;

2. Почти все снежинки симметричны, т.е. имеют одинаковые стороны;

3. Не бывает двух одинаковых, но есть очень похожие. Они все равно будут различаться, если посмотреть в микроскоп.

4. Снежинка, которая росла быстро будет более игловатой, та что медленно – более гладкой (Рис.1);

5. Снежинка выглядит белой, потому что хлопья рассеивают свет. При тусклом освещении снег кажется бледно-голубым, что соответствует цвету большого объема воды;

6. Вместе снежинки в большом количестве образуют снежный покров – слой снега на поверхности Земли, образовавшийся в результате снегопадов и метелей.

Рисунок 2. Быстрый рост снежинки

1.3. ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

• Cамая большая снежинка, по данным Monthly Weather Review, упала на землю в 1887 году в США (штат Монтано). Диаметр ее превысил 38 см.

• Существуют ли две одинаковые снежинки? Нет! Это доказал в своих работах фермер Уилсон Бентли в 1885 году, ему-то и удалось сделать первую фотографию снежинки под микроскопом. А понадобилось ему для этого 46 лет!

• Самые крупные снежинки выпали 30 апреля 1944 года в Москве. Пойманные на ладонь, они закрывали её почти всю целиком и напоминали красивые страусиные перья. Учёные объяснили это явление так: из района Земли Франца - Иосифа спустилась волна холодного воздуха, температура понизилась, в облаках началось образование снежинок. Но упасть на землю снежинки сразу не могли: их задерживали в воздухе восходящие с нагретой земли тёплые потоки. Снежинки плавали в воздушных слоях и слипались вместе, образуя большие хлопья. Земля к вечеру остыла, восходящие струи воздуха ослабли, и пошёл удивительный снегопад.

• С 22 января 2012 года отмечается день снега! Это инициатива Международной федерации лыжного спорта.

• Предполагается что в одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок. 

• При падении в воду снежинка создаёт крайне высокий звук, неслышимый для человека, но неприятный для рыб.

• Более половины населения земного шара никогда не видело снега, разве только на фотографиях.

• В языке эскимосов для наименования снега существует больше 20 слов. В якутском языке - около 70.

• В разных местах выпадает «свой» снег. В Прибалтике и центральных областях России часто идет снег в виде крупных, сложной формы разветвленных снежинок, иногда мохнатых хлопьев.

• В Сибири снежные хлопья достигали 30 сантиметров в диаметре. Такие гиганты могут выпадать только при полном безветрии.

1.4. ПОЛЕЗНЫЕ СВОЙСТВА СНЕЖИНОК

1. Снежинки очищают воздух от пыли и гари. Вот почему легко дышать во время снегопада. Снег больше отражает губительные спектры солнечных лучей. Наверное, поэтому у северян отсутствуют многие болезни, которые переносят южане.

2. Во многих уголках мира дождь является основной формой выпадения осадков, а значит, и основным источником воды. Но в холодных зонах и на высотах основной формой выпадения осадков является снег. Фактически снег, который накапливается в горах около засушливых районов, может образовывать естественный резервуар воды, намного больший, чем любой построенный человеком. Снег превращается в воду для орошения.

3. Снег может использоваться в качестве стройматериала, который обладает прекрасными теплоизоляционными свойствами.

4. Вода поступает с дождем и тающим снегом просачивается сквозь поверхность земли и наполняет реки и ручьи.

5. Укрывает землю, как тёплое пуховое одеяло и растения поэтому не замерзают.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. АНКЕТИРОВАНИЕ

Нами было проведено анкетирование в своей школе среди учащихся. В нем приняло участие 37 человек. Им было предложено ответить на 4 вопроса (Приложение 2):

• Знаешь ли ты, из чего состоит снежинка?

• Знаешь ли ты, что все снежинки разные?

• Знаешь ли ты, что снежинки приносят пользу?

• Знаешь, как получить снежинку дома?

Результаты вы видите на диаграмме:

2.2 ИССЛЕДОВАНИЕ

Мы живем на Кольском полуострове, где большую часть времени в году можно наблюдать снег – даже в июне бывает снегопад! Поэтому, чтобы не скучать морозными полярными ночами, тема изучения снежинок актуальна здесь.

Временем исследования мы выбрали январь и февраль, так как в это время выпадает больше всего снега в году.

Во время снегопада мы отмечали температуру с помощью уличного градусника, влажность – через приложение Гисметео, и снимали снежинки с помощью макросъемки телефона (Приложение 3) Из таблицы мы видим, что в г.Кировске встречаются все виды снежинок, как и в таблице Накайя.

Рассматривая снежинки в теплую погоду, мы заметили, что снежинки однообразные, неинтересные, в виде узкой, ничем не украшенной пластинки. А в более морозную погоду снежинки мохнатые, опушенные бахромой (Приложение 4).

2.3 ЭКСПЕРИМЕНТ

После того, как мы выяснили, что снежинки действительно имеют различную форму, мы решили попробовать сделать снежинку в домашних условиях (Приложение 5).

Эксперимент 1

Ход действий:

1. Налить в ёмкость немного воды;

2. Поставить в холодильник, в морозильную камеру;

3. Вода была заморожена и превращена в лёд.

Итог: получается кусочек льда на дне ёмкости, но не снежинка.

Вывод: снежинку, заморозив воду получить нельзя.

Эксперимент 2

Ход действий:

1. Взять стеклянную колбу и положить над паром;

2. Поместить запотевшее стекло в морозильную камеру. Температура в морозильнике -18 градусов;

Итог: открыв морозильную камеру на следующий день, мы обнаружили, что стёклышко покрылось тонким слоем инея, крохотными капельками замёрзшей воды. Они совсем не напоминали снежинки.

Вывод: в домашних условиях вырастить настоящую снежинку нельзя, так как нет тех условий, при которых образуются снежинки.

Эксперимент 3.

Нам потребуется:

1. Полулитровая стеклянная банка;

2. Соль (20 ст.ложек);

3. Горячая вода;

4. Длинная нитка;

5. Ворсистая проволока или зубочистки и шерстяные нитки.

Ход действий:

1. Мы налили в банку горячую воду. Постепенно добавляла в воду соль, тщательно размешивая. Понадобилось 16 столовых ложек, пока соль не перестала растворяться.

2. Мы скрепила трубочки, обмотали их пушистой ниткой. Ворсистая поверхность необходима для того, чтобы на нее налипали кристаллы соли.

3. Закрепили снежинку на длинную нить. Опустила заготовку в банку с солевым раствором так, чтобы вся поверхность снежинки была внутри, а нитка оставалась снаружи.

4. Через 2-3 дня снежинка полностью закристаллизована и готова.

Итог: при сильноконцентрированном солевом растворе мы получили снежинку.

Вывод: в домашних условиях можно вырастить снежинку, но не из снега, а из соли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследовательской работы я узнала, как рождается снежинка. Познакомилась и создала альбом с разнообразными формами снежинок в моем городе. Наши исследования и эксперименты доказали, что снежную красавицу можно получить только в специальных лабораториях, при определенном давлении, влажности и температуре. Но снежинки можно рассмотреть через увеличительное стекло, зарисовать их, сфотографировать и убедиться, что все они разные и все шестиугольные.

Наша гипотеза, что все снежинки разной формы и размера, что их нельзя получить в домашних условиях, подтвердилась.

Давайте в наш век высоких технологий просто найдем время, чтобы остановиться и полюбоваться на падающие снежинки. Они уникальны и неповторимы!

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bailey, M.; John Hallett, J. (2004). "Growth rates and habits of ice crystals between −20 and −70C". Journal of the Atmospheric Sciences. 61 (5): 514–544. doi:10.1175/1520-0469(2004)061<0514:GRAHOI>2.0.CO;2

2. Klesius, M. (2007). "The Mystery of Snowflakes". National Geographic. 211 (1): 20. ISSN 0027-9358

3. Knight, C.; Knight, N. (1973). "Snow Crystals". Scientific American, vol. 228, no. 1, pp. 100-107.

4. Smalley, I.J. (1963). "Symmetry of Snow Crystals". Nature 198, Springer Nature Publishing AG.

5. https://www.everydaychemistries.com/blog/snowflakes

6. GISMETEO: Какими бывают снежинки: 7 разных видов - События | Новости погоды.

7.  Дюнин А. К. В царстве снега.- Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1983. http://www.skitalets.ru/books/metod/sneg/index.htm].

8. Большая книга о маленьких снежинках автор Тимофей Черепанов.

9. Энциклопедия окружающего мира. «Погода и климат»- М.: Росмэн ,1998 - 48 с. 

10. Большая энциклопедия школьника. «Планета Земля». «Издательство Росмэн- Пресс», 2001 -: А. Ю Бирюкова.

11. Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Москва.1994г, т.5, т.6.

12. Детская энциклопедия. «Я познаю мир». – М.: ООО «Издательство АСТ»

13. https://www.inpearls.ru/1687452?ysclid=m7iwtbmlcb19101710

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Диаграмма зависимости форм снежинок

от температуры и влажности Накайя

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Анкетирование

1. Знаешь ли ты, из чего состоит снежинка?

а) знаю б) не знаю в) затрудняюсь ответить

2. Знаешь ли ты, что все снежинки разные?

а) знаю б) не знаю в) затрудняюсь ответить

3. Знаешь ли ты, что снежинки приносят пользу?

а) знаю б) не знаю в) затрудняюсь ответить

4. Знаешь, как получить снежинку дома?

а) знаю б) не знаю в) затрудняюсь ответить

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Фотоальбом снежинок

Ф орма звезды

Форма дендриды

Ф орма пластины

Форма столбики

Форма иголки

Сростки игл

ПРИЛОЖЕНИЕ 5