Как полярники используют свойства льда. Почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности
В океане дрейфуют полярные ледяные глыбы и айсберги, и даже в напитках лед никогда не опускается на дно. Можно сделать вывод, что лед не тонет в воде. Почему? Если подумать об этом, то этот вопрос может показаться немного странным, потому что лед твердый и — интуитивно — должен быть тяжелее жидкости. Хотя это утверждение справедливо для большинства веществ, вода является исключением из правила. Воду и лед отличают водородные связи, которые в твердом состоянии делают лед легче, чем когда он находится в жидком состоянии.
Вопрос научный: почему лед не тонет в воде
Представим, что мы находимся на уроке под названием «Окружающий мир» в 3 классе. «Почему лед не тонет в воде?», — спрашивает учительница у детей. И малыши, не имея глубоких познаний в физике, начинают рассуждать. «Возможно, это магия?» — заявляет один из детей.
Действительно, лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом и, если признаться, именно оно изменяет пути эволюции планет.
Существуют некоторые планеты, которые содержат огромное количество таких жидких углеводородов, как, например, аммиак — тем не менее, при замерзании этот материал опускается на дно. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.
Говоря научным языком, в процессе замерзания устанавливаются быстрые циклы выветривания и определенные химические вещества, выделяемые на поверхности способны растворять минералы. В целом, с замерзанием воды связаны такие процессы и возможности, которых физические свойства других жидкостей не предполагают.
Плотность льда и воды
Таким образом, ответ на вопрос о том, почему лед не тонет в воде, а плавает на поверхности, заключается в том, что он имеет более низкую плотность, чем жидкость — но это ответ первого уровня. Для лучшего понимания нужно знать, почему у льда низкая плотность, почему вещи всплывают в первую очередь, как плотность приводит к плаванию.
Вспомним греческого гения Архимеда, который выяснил, что после погружения определенного предмета в воду объем воды увеличивается на число, равное объему погружаемого объекта. Другими словами, если вы положите глубокое блюдо на поверхность воды, а затем поместите в него тяжелый предмет, то объем воды, который нальется в блюдо, будет точно равен объему объекта. Не имеет значения, объект погружается полностью или частично.
Свойства воды
Вода — это удивительное вещество, которое в основном питает жизнь на земле, ведь каждый живой организм нуждается в ней. Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.
Например, во время приготовления салата, можно заметить, что масло находится на поверхности уксуса — это можно объяснить тем, что оно обладает меньшей плотностью. Этот же закон действителен и для объяснения того, почему в воде лед не тонет, а в бензине и керосине — тонет. Просто эти два вещества обладают меньшей, чем у льда, плотностью. Так, если вы запустите в бассейн надувной мячик, он будет плавать на поверхности, если же вы бросите в воду камень — он опустится на дно.
Какие изменения происходят с водой при замерзании
Причина того, почему лед не тонет в воде, связана с водородными связями, которые изменяются при замерзании воды. Как известно, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они прикреплены ковалентными связями, которые невероятно сильны. Однако другой тип связи, который образуется между различными молекулами, называемый водородной связью, слабее. Эти связи образуются потому, что положительно заряженные атомы водорода притягиваются отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды.
Когда вода теплая, молекулы очень активны, много перемещаются, быстро образуют и разлагают связи с другими молекулами воды. У них есть энергия, чтобы приближаться друг к другу и двигаться быстро. Итак, почему лед не тонет в воде? Химия скрывает ответ.
Физико-химия льда
По мере того, как температура воды опускается ниже 4 °C, кинетическая энергия жидкости уменьшается, поэтому молекулы больше не перемещаются. У них нет энергии для перемещения и такого же легкого, как при высокой температуре, разрыва и формирования связей. Вместо этого они образуют больше водородных связей с другими молекулами воды с образованием гексагональных структур решетки.
Они образуют эти структуры, чтобы поддерживать отрицательно заряженные молекулы кислорода друг от друга. В середине шестиугольников, образуемых в результате деятельности молекул, много пустоты.
Лед тонет в воде — причины
Лед фактически на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Практически это имеет смысл, потому что лед расширяется. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды — замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Если у вас есть литровая бутылка льда и литровая бутылка воды, тогда бутылка с ледяной водой будет легче. Молекулы находятся дальше друг от друга в этой точке, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде.
Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды — она обладает меньшей плотностью. Вспомните, когда вы находитесь на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда вы опускаете свои ноги глубже, ощущаете холод нижнего слоя.
Значение процесса в функционировании планеты
Несмотря на то что вопрос «Почему лед не тонет в воде?» для 3 класса, очень важно понимать, почему этот процесс происходит и какое имеет значение для планеты. Так, плавучесть льда имеет важные последствия для жизни на Земле. зимой в холодных местах — это позволяет рыбе и другим водным животным выживать под ледяным покрывалом. Если бы замерзло дно, то высока вероятность того, что все озеро могло бы быть заморожено.
В таких условиях в живых не осталось бы ни единого организма.
Если бы плотность льда была выше плотности воды, то в океанах лед бы опустился, и ледяные шапки, которые в таком случае находились бы на дне, не позволили бы кому-либо там жить. На дне океана было бы полно льда — и во что бы это все превратилось? Кроме всего прочего, полярный лед важен, поскольку он отражает свет и предохраняет планету Земля от чрезмерного перегревания.
Тема: Северный ледовитый океан .
Цель урока: Сформировать понятие о Северном ледовитом океане как природное сообщества.
Образовательные: Формирование знаний о природе СЛО: Познакомиться с обитателями СЛО, уметь объяснять особенности приспособления живых организмов к обитанию в СЛО.
Развивающие: Развивать умения работать с информацией (обрабатывать её различными способами, критически относится к информации), развивать речь, память. Определять тему и цели урока; получать информацию из разных источников;
анализировать прочитанный текст.
Воспитательные: воспитывать любознательность, интерес к предмету, расширять кругозор учащихся, развивать желание познавать новое, слушать ответы товарищей; слушать и воспринимать речь учителя.
Оборудование: электронная презентация, учебник, карта природных зон России, словарик.
Ход урока
I . Организационный момент.
Здравствуйте ребята. У нас на уроке гости. Поприветствуем их.
Окружающий нас мир
Интересно познавать
Его тайны и загадки
Вы готовы разгадать?
Проверка домашнего задания.
2. Актуализация знаний
Отгадайте загадки:
Состоит он из морей.
Ну, давай, ответь скорей.
Это – не воды стакан,
А, огромный … океан
На земной поверхности существует много различных водоёмов. Как вы думаете, какой водоём самый большой? (океан)
Чтение в словаре о том, что такое океан.
(Океан - часть Мирового океана, находящаяся между материками)
Сколько океанов на Земле? (4) Работа с картой мира.
Какой самый большой? А какой маленький?
Какой глубокий? Какой не очень глубокий?
Какой самый теплый океан? А какой самый холодный?
А есть ли жизнь в океане?
А в холодном?
Сегодня мы заглянем в этот холодный океан.
2. Работа по теме урока.
Как вы думаете в каких климатических условиях расположен СЛО?
Да, там очень холодно. Как растительный так и животный мир, все должны быть приспособлены к суровым условиям обитания.
Если долго-долго идти на Север, никуда не поворачивая и не отклоняясь, то мы попадем на Северный полюс. Издавна эту область Земли называют Арктикой - от греческого слова arkticos - северный, так древние греки называли расположенное в северной части неба созвездие Большой Медведицы
Сегодня на уроке у нас очередное заседание клуба «Мы и окружающий мир». Его мы посвящаем изучению СЛО. Разделимся на 4 группы: географы, биологи, зоологи и экологи. Заседание нашего клуба пройдет по плану: (на доске)
Местоположение СЛО и особенности неживой природы (группа географов).
Растения СЛО (группа биологов).
Животные СЛО (группа зоологов).
Арктика и человек (группа экологов).
Даем слово группе географов .
Местоположение и особенности неживой природы
Северный Ледовитый океан – самый холодный океан в мире. Большая часть поверхности океана и его островов в течение всего года покрыта многолетними льдами толщиной до 5 метров. Лишь кое-где на островах льда нет, но и здесь земля промерзает на много метров в глубину. Почва на таких островах не образуется.
Природа СЛО очень сурова. Зимой там ПОЛЯРНАЯ НОЧЬ. С середины октября и до февраля солнца совсем не видно. Дуют сильные ветры, неделями метет пурга, температура воздуха нередко понижается до - 60◦С. Полярной ночью здесь можно наблюдать одно из удивительных явлений природы – СЕВЕРНОЕ СИЯНИЕ. Очевидцы говорят, что полярное сияние похоже на причудливый занавес, который колышется в темном небе. Занавес разделен на светящиеся разноцветные полосы, сияющие чистыми цветами радуги.
Летом в СЛО ПОЛЯРНЫЙ ДЕНЬ. В течение нескольких месяцев круглые сутки светло. Но солнце поднимается невысоко над горизонтом, и температура редко бывает выше 3-4◦С. Поэтому даже за долгий полярный день вековые льды не успевают растаять.
Физминутка .
Три медведя шли домой.
Папа был большой-большой.
Мама чуть поменьше ростом.
Ну, а сын – малютка просто.
Очень маленький он был,
С погремушками ходил.
Дадим слово группе биологов.
Растения
Суровые природные условия переносят только стойкие и неприхотливые растения. Большие площади заняты каменными россыпями. Почвы почти нет. В летнее время снег местами тает, и камни обнажаются. На них - то и растут ЛИШАЙНИКИ, похожие на серую накипь . Лишайники – удивительные организмы. Основную массу лишайника составляют тончайшие белые или бесцветные трубочки. Это грибные нити. Из таких трубочек состоит всякое грибное тело. А между грибными трубочками находятся изумрудные шарики. Это малютки – водоросли. ЯГЕЛЬ – как и все лишайники, состоит из двух организмов – гриба и водоросли, соединенных в одно целое. Во влажном состоянии ягель мягкий, упругий. Но после высыхания становится хрупким, легко крошится. Мельчайшие его крошки легко переносятся ветром и способны укорениться. Именно таким образом ягель в основном и размножается. Ягель – основная пища северных оленей. Олени безошибочно находят его по запаху даже зимой под снегом.
В южных районах океана можно встретить кое–где ПОЛЯРНЫЙ МАК, стелющиеся ПОЛЯРНЫЕ ИВЫ. Их легко можно принять за травянистые растения, ведь высотой они всего 5-10 сантиметров.
Дадим слово группе зоологов.
Животные
Моржам и тюленям не дает замерзнуть толстый слой подкожного жира. МОРЖИ - близкие родственники тюленей, большие и сильные, и мало кто решается нападать на них. У них два длинных клыка, которые они используют в боях и чтобы выбираться из воды на лед для отдыха. У моржей крепкие губы, позволяющие высасывать съедобных моллюсков из раковин. Морж может съесть 3000 моллюсков за день.
У БЕЛОГО МЕДВЕДЯ густой мех хорошо сохраняет тепло. Сутками бродит великан Арктики по снежной пустыне в поисках добычи. Он часами может лежать возле лунки во льду, выжидая, когда вынырнет за порцией воздуха тюлень. Полярные (белые) медведи - самые крупные и сильные животные СЛО, на них никто не нападает. В середине зимы в заснеженных берлогах у них рождаются детеныши. Мать кормит их своим молоком, а сама ничего не ест, пока не потеплеет настолько, что она может выйти на охоту. Белые медведи имеют великолепный нюх и могут очень быстро бегать по льду, преследуя жертву. Они хорошо плавают и ныряют. Летом они питаются травой, лишайниками, черникой и леммингами.
На скалистых берегах - птичьи базары. Здесь гнездится множество морских птиц: топорики, кайры, тупики, различные виды чаек. По побережью живут гуси и утки. Среди них наиболее известны гаги, имеющие мягкий теплый пух. Некоторые животные могут жить круглый год в СЛО. Другие животные навещают эти места только летом, когда лед тает, и море очищается ото льда. Растения, которые вырастают летом, - основной источник питания многих животных.
Какие у них приспособления к данным условиям обитания?
Давайте один из видов животных возьмем и перенесем к нам.
Например: Белый медведь, сможет ли жит в наших условиях?
Почему нет?
Работа с книгой
- Ребята, послушайте. Я сейчас задам вам вопросы, а вы должны ответить.
Посмотрим кто из вас самый внимательный и активный.
Каких полярников запомнили?
Что раньше думали полярники?
Что нового узнали?
Что в «Макушке» Земли?
В наши дни с помощью какого аппарата изучают океан?
Слово нашим экологам.
СЛО и человек .
Постоянных поселений людей в СЛО нет. Однако люди здесь живут. Через северный Ледовитый океан пролегает самый короткий путь из Атлантического океана в Тихий. Поэтому по Северному морскому пути регулярно движутся караваны торговых судов, путь которым сквозь льды прокладывают мощные ледоколы.
На островах и во льдах Северного Ледовитого океана много научных станций. Здесь полярники наблюдают за погодой, изучают, куда дрейфуют льдины в океане, исследуют природу Севера. Собранные ими данные помогают прокладывать путь во льдах, а метеорологам – составлять прогноз погоды.
В морях СЛО люди занимаются рыболовством и охотой. К сожалению, из-за того, что человек все больше и больше осваивает СЛО, оказалась в опасности ее природа. Стали редкими такие животные, как белый медведь, морж, гренландский кит, белый гусь, овцебык.
Для охраны этих редких животных на полуострове Таймыр и на острове Врангеля созданы заповедники.
Исходя из растительного и животного мира, чем может заниматься люди?
Несмотря на холод СЛО нам нужен.
Словарная работа
Что такое заповедник?
Откройте словарь и найдите, что такое заповедник?
Физминутка .
Движения под песню про пингвинов
4. Закрепление пройденного.
а) фронтальный опрос:
Сравни природные условия своей местности с природными условиями Арктики.
Какие растения и животные характерны для арктической зоны?
Почему люди с давних пор осваивают Арктику?
Какие меры принимают люди, защищая природу северного края?
Почему среди животных Арктики преобладают те, которых кормит море?
б) цепи питания:
Водоросли – рачки – рыбы – птицы
Водоросли – рачки – рыбы – тюлени
Рыбы – тюлени – белые медведи
в) Заполните таблицу сегодняшней экспедиции (взаимопроверка в парах)
Арктика – царство снега и льда
Географическое положение
Северный Ледовитый океан, северные моря, острова
Освещенность
Полярный день и полярная ночь, Северное сияние
Растительный и животный мир
Лишайники, мхи, полярный мак, брусника, морошка, рачки, рыбы, гагарки, белый медведь, морж, тюлень
Деятельность человека
Научные станции, Северный морской путь, рыбный промысел, охота
г) разгадать кроссворд: (на доске)
Решение кроссворда "СЛО".
Если правильно отгадаешь кроссворд, то по центру прочитаешь слово.
Вопросы.
1. Эти птицы собираются летом на скалистых берегах в шумные "птичьи базары", очень любят полакомиться рыбой.
2. Близкий родственник тюленя.
3. Птицы, которые откладывают яйца прямо на голые уступы скал.
4. На них очень любит поохотиться белый медведь.
5. Самое распространенное растение полярных районов.
6. Самый крупный обитатель морей и океанов.
7. Маленькие жители морей, которыми питаются рыбы.
Ответы. 1. Чайка. 2. Морж. 3. Кайры. 4. Тюлень. 5. Лишайники. 6. Кит. 7. Рачки.
Чему же мы с вами учились на уроке? (Работать с текстом; работать в парах, находить нужную информацию)
Что вы узнали?
5.Домашнее задание. Подготовить рассказ об обитателях СЛО.
Начну с того, что на местах, где проводят полярные исследования, господствует полярный климат. Этими местами являются, как правило, Арктика и Антарктика.
Различие Арктики и Антарктики
Антарктида, входящая в состав Антарктики, является холоднейшим материком планеты, температуры в летний период доходят до −30 °C , в зимний период - −60 °C. Здесь же зафиксирована самая низкая температура планеты - −91,2 °C. Что касается Арктики, то здесь климат не такой суровый. В состав Арктики входят острова Северного Ледовитого океана, который оттаивает летом.
Виды современного снаряжения и оборудования
В Арктике и Антартике, при отправке в экспедицию в летнее время, температуры опускаются лишь до −45 ... 50 °С. Чтобы выдержать такую "лёгкую" температуру, полярники используют специальные комбинезоны. Нынче популярные костюмы семейства ECWCS принадлежат к третьему поколению. Производители комбинезонов заверяют, что они поддерживают комфортную температуру внутри, даже при −60 °С.
Разнообразие обуви наших полярников не изменяется со времён СССР. Они используют унты, валенки и резиновые сапоги. Хоть ассортимент не изменился, но наполнитель обувь претерпел исправление, например, раньше унты производились из меха лисы, а теперь из облагороженной овчины. Унты являются самой неудобной обувью, в отличии от валенок с резиновой подошвой.
Как бы это странно не звучало, но полярники нуждаются в личном оружии. Каждый знает, что в пределах полярного пояса водятся большое количество диких животных, часть из них несёт опасность для исследователя. Поэтому оружие используют против белых медведей, моржей, морских слонов.
Полярники проводят изучение льда, оазисов, происхождение и строение льдов. Д ля всех этих исследований требуется специальное оборудование. Для изучения льда используют пешни, ледорубы и специальные пилы для льда. Во время поиска оазисов полярники проходят колоссальные расстояния вдоль побережья. А вот геологи, для изучения происхождения льдов, используют бурильный молоток, воздушную и газовую съёмку.
Подведу итоги. Что же нужно полярникам:
- специализированные комбинезоны;
- утеплённая обувь;
- личное оружие;
- инструменты для исследований.
Подумайте,какие меры предосторожности необходимо предпринять,отправляясь к полюсу ДОПОЛНЕНИ) Меры предосторожности на полюсах:
-Отправляясь на полюс возьмите с собой как можно больше тёплой одежды
-Если на полюсе лето, температура всё же может достигать 0. В таком случае нужно соблюдать правила передвижения по хрупкому льду
В случае падения под лёд:
-не паникуйте
-зовите на помощь
-выбравшись, ползите по льду(не вставайте, этим вы увеличите давление на корку)
При обморожении:
-При обморожении I степени охлаждённые участки следует согреть до покраснения тёплыми руками, лёгким массажем, растираниями шерстяной тканью, дыханием, а затем наложить ватно-марлевую повязку.
-При обморожении II-IV степени быстрое согревание, массаж или растирание делать не следует. Наложите на поражённую поверхность теплоизолирующую повязку (слой марли, толстый слой ваты, вновь слой марли, а сверху клеёнку или прорезиненную ткань). Поражённые конечности фиксируют с помощью подручных средств (дощечка, кусок фанеры, плотный картон), накладывая и прибинтовывая их поверх повязки. В качестве теплоизолирующего материала можно использовать ватники, фуфайки, шерстяную ткань и пр.Пострадавшим дают горячее питьё, горячую пищу, небольшое количество алкоголя.
Маленькие дети очень часто задают интересные вопросы взрослым, а те не всегда могут ответить на них сразу. Чтобы не казаться ребенку глупым, рекомендуем ознакомиться с полноценным и развернутым, обоснованным ответом касательно плавучести льда. Ведь плавает, а не тонет. Почему же так происходит?
Как объяснить ребенку сложные физические процессы?
Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем . Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что , вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.
Проводим опыт над силой расширения воды
Но как доказать, что лёд на самом деле расширяется? Ведь вода тоже может расширяться, как же доказать это в искусственных условиях? Можно провести интересный и очень простой опыт. Для этого понадобится пластиковый или картонный стаканчик и вода. Ее количество необязательно должно быть большим, заполнять стаканчик до краев не потребуется. Также в идеале нужна температура около -8 градусов или ниже. Если температура будет слишком высокой, опыт продлится неоправданно долго.
Итак, вода залита внутрь, надо ждать, когда образуется лёд. Поскольку мы выбрали оптимальную температуру, при которой небольшой объем жидкости обратится в лёд в течение двух-трех часов, можно спокойно идти домой и ждать. Ждать нужно до тех пор, пока вся вода не обратится в лед. Спустя некоторое время смотрим на результат. Деформированный или разорванный льдом стаканчик гарантирован. При более низкой температуре последствия выглядят более эффектно, да и сам эксперимент занимает меньше времени.
Негативные последствия
Получается простой опыт подтверждает, что в ледяные глыбы и правда расширяются при уменьшении температуры, а объем воды легко увеличивается при замерзании. Как правило, эта особенность несет немало проблем забывчивым людям: бутылка шампанского, оставленная на балконе под Новый год на большой срок, разрывается из-за воздействия льда. Поскольку сила расширения очень большая, повлиять на нее никак нельзя. Ну а что касается плавучести ледяных глыб, то здесь можно ничего не доказывать. Самые любопытные могут легко провести подобный опыт весной или осенью самостоятельно, пытаясь утопить в большой луже кусочки льда.