วิธีพิสูจน์ว่าน้ำแข็งเบากว่าน้ำของเหลว งานวิจัย “ทำไมน้ำแข็งไม่จม” ใช้ในชีวิตประจำวัน

เด็กเล็กมักถามคำถามที่น่าสนใจกับผู้ใหญ่ และพวกเขาไม่สามารถตอบคำถามเหล่านี้ได้ในทันที เพื่อไม่ให้ลูกของคุณดูโง่ เราขอแนะนำให้คุณทำความคุ้นเคยกับคำตอบที่สมบูรณ์และละเอียดและมีพื้นฐานดีเกี่ยวกับการลอยตัวของน้ำแข็ง ท้ายที่สุดมันก็ลอยได้ไม่จมน้ำ ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

จะอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนให้เด็กฟังได้อย่างไร?

สิ่งแรกที่นึกถึงคือความหนาแน่น ใช่ ที่จริงแล้ว น้ำแข็งลอยได้เพราะมีความหนาแน่นน้อยกว่า แต่จะอธิบายให้เด็กฟังได้อย่างไรว่าความหนาแน่นคืออะไร? ไม่มีใครมีหน้าที่ต้องบอกหลักสูตรของโรงเรียนให้เขาทราบ แต่ก็ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะสรุปรายละเอียดทั้งหมดว่าเป็นอย่างไร ที่จริงแล้ว ปริมาณน้ำและน้ำแข็งเท่ากันก็มีน้ำหนักต่างกัน หากเราศึกษาปัญหาโดยละเอียด เราก็อาจบอกเหตุผลอื่นๆ ได้อีกหลายประการนอกเหนือจากความหนาแน่น
ไม่เพียงเพราะความหนาแน่นที่ลดลงช่วยป้องกันไม่ให้จมต่ำลงเท่านั้น เหตุผลก็คือฟองอากาศเล็กๆ ถูกแช่แข็งอยู่ในน้ำแข็ง พวกเขายังลดความหนาแน่นด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปปรากฎว่าน้ำหนักของแผ่นน้ำแข็งจะยิ่งน้อยลงไปอีก เมื่อน้ำแข็งขยายตัว มันจะไม่ใช้อากาศเข้าไปมากนัก แต่ฟองอากาศทั้งหมดที่อยู่ภายในชั้นนี้จะยังคงอยู่ที่นั่นจนกว่าน้ำแข็งจะเริ่มละลายหรือระเหิด

ทำการทดลองเรื่องแรงขยายตัวของน้ำ

แต่คุณจะพิสูจน์ได้อย่างไรว่าน้ำแข็งกำลังขยายตัวจริงๆ ท้ายที่สุดแล้ว น้ำยังสามารถขยายตัวได้ ดังนั้นสิ่งนี้จะพิสูจน์ได้อย่างไรภายใต้สภาวะเทียม? คุณสามารถทำการทดลองที่น่าสนใจและง่ายมากได้ ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องมีถ้วยพลาสติกหรือกระดาษแข็งและน้ำ ปริมาณไม่จำเป็นต้องมาก ไม่จำเป็นต้องเติมแก้วให้เต็ม นอกจากนี้ คุณต้องมีอุณหภูมิประมาณ -8 องศาหรือต่ำกว่า หากอุณหภูมิสูงเกินไป ประสบการณ์จะคงอยู่นานเกินสมควร
เลยเทน้ำเข้าไปข้างใน ต้องรอจนน้ำแข็งก่อตัว เนื่องจากเราได้เลือกอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดซึ่งของเหลวปริมาณเล็กน้อยจะกลายเป็นน้ำแข็งภายในสองถึงสามชั่วโมง คุณจึงสามารถกลับบ้านและรอได้อย่างปลอดภัย คุณต้องรอจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง หลังจากนั้นครู่หนึ่งเราจะดูผลลัพธ์ รับประกันถ้วยที่มีรูปร่างผิดปกติหรือฉีกขาดด้วยน้ำแข็ง ที่อุณหภูมิต่ำลง เอฟเฟกต์จะดูน่าประทับใจยิ่งขึ้น และการทดสอบใช้เวลาน้อยลงด้วย

ผลกระทบด้านลบ

ปรากฎว่าการทดลองง่ายๆ ยืนยันว่าก้อนน้ำแข็งขยายตัวจริงๆ เมื่ออุณหภูมิลดลง และปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างง่ายดายเมื่อแช่แข็ง ตามกฎแล้ว คุณลักษณะนี้ทำให้เกิดปัญหามากมายกับคนขี้ลืม: แชมเปญหนึ่งขวดทิ้งไว้บนระเบียงเป็นเวลานานในช่วงพักวันส่งท้ายปีเก่าเนื่องจากการสัมผัสกับน้ำแข็ง เนื่องจากแรงขยายตัวมีขนาดใหญ่มาก จึงไม่สามารถได้รับอิทธิพลในทางใดทางหนึ่ง สำหรับการลอยตัวของก้อนน้ำแข็งนั้นไม่มีอะไรจะพิสูจน์ได้ที่นี่ คนที่อยากรู้อยากเห็นมากที่สุดสามารถทำการทดลองที่คล้ายกันในฤดูใบไม้ผลิหรือฤดูใบไม้ร่วงได้ด้วยตัวเองโดยพยายามทำให้น้ำแข็งจมลงในแอ่งน้ำขนาดใหญ่

สถาบันการศึกษาในกำกับของรัฐ

มัธยมศึกษาตอนต้นด้วย วาซิลลิฟกี

วิจัย

ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำ?

นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 3 "b"

เบโลกูโบวา โซเฟีย

หัวหน้า: Klimenko

ลุดมิลา เซอร์เกฟนา

ครูฉันมีคุณสมบัติ

เนื้อหาของงาน

1. บทนำ……………………………………………………………. 3

2. ส่วนหลัก: ……………………………………………...4-6

2.1. เหตุใดวัตถุจึงลอยได้............................................ ... .....

2.2. อาร์คิมีดีส นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ…………………………………

2.3. กฎของอาร์คิมีดีส………………………………………………

2.4. การทดลอง………………………………………………………..

2.5. ลักษณะสำคัญของน้ำ………………………………………………...

3. บทสรุป……………………………………………………….7

4. รายการอ้างอิง……………………………………………………………8

5. การสมัคร………………………………………………………9-10

การแนะนำ.

ไม่ไหม้ไฟ

ไม่จมน้ำ.

ความเกี่ยวข้องของหัวข้อ

เหตุใดสสารบางชนิดจึงจมในน้ำและบางชนิดไม่จมน้ำ? การทำความเข้าใจกฎการลอยตัวช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างเรือจากโลหะที่ลอยได้และไม่จม

ไม่มีใครสงสัยเลยว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำ ทุกคนได้เห็นสิ่งนี้มาแล้วหลายร้อยครั้งทั้งในสระน้ำและในแม่น้ำ

แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

วัตถุอื่นใดที่สามารถลอยน้ำได้?

นี่คือสิ่งที่ฉันตัดสินใจค้นหา

กำหนดเป้าหมาย:

พิจารณาสาเหตุของการไม่จมของน้ำแข็ง

ฉันระบุงานจำนวนหนึ่ง:

ค้นหาสภาพการลอยตัวของวัตถุ

ค้นหาว่าทำไมน้ำแข็งจึงไม่จม

ทำการทดลองเพื่อศึกษาการลอยตัว

เธอตั้งสมมติฐานไว้ว่า

บางทีน้ำแข็งอาจไม่จมเพราะน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำแข็ง

วิธีการวิจัย:

การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของวรรณกรรม

วิธีการสังเกต

วิธีปฏิบัติ

เนื้อหาเชิงปฏิบัติจะเป็นประโยชน์กับฉันในการอ่านบทเรียนและโลกรอบตัว

ส่วนสำคัญ

หากคุณจุ่มร่างกายลงในน้ำ มันจะแทนที่น้ำบางส่วน ร่างกายอยู่ในบริเวณที่เคยมีน้ำและระดับน้ำก็สูงขึ้น

ตามตำนานนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณอาร์คิมิดีส (287 - 212 ปีก่อนคริสตกาล) ขณะอยู่ในอ่างอาบน้ำเดาว่าร่างกายที่จมอยู่ใต้น้ำจะแทนที่น้ำในปริมาณเท่ากัน ภาพแกะสลักในยุคกลางแสดงให้เห็นการค้นพบของอาร์คิมิดีส (ดูภาคผนวก 1)

แรงที่น้ำผลักร่างกายที่จมอยู่นั้นเรียกว่าแรงลอยตัว

กฎของอาร์คิมิดีสระบุว่าแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่โดยร่างกายที่จมอยู่ในนั้น ถ้าแรงลอยตัวน้อยกว่าน้ำหนักตัวก็จะจมลง ถ้าเท่ากับน้ำหนักตัวก็จะลอยได้

การทดลองครั้งที่ 1 (ดูภาคผนวก 1)

ฉันตัดสินใจว่าแรงลอยตัวทำงานอย่างไร สังเกตระดับน้ำ และวางลูกบอลดินน้ำมันที่มีแถบยางยืดลงในภาชนะที่มีน้ำ หลังจากดำน้ำ ระดับน้ำเพิ่มขึ้นและความยาวของยางยืดลดลง ฉันทำเครื่องหมายระดับน้ำใหม่ด้วยปากกาสักหลาด

สรุป: จากฝั่งน้ำ มีแรงพุ่งขึ้นกระทบกับลูกบอลดินน้ำมัน ดังนั้นความยาวของแถบยางยืดจึงลดลงเช่น ลูกบอลที่แช่อยู่ในน้ำก็เบาขึ้น

จากนั้นเธอก็ปั้นเรือจากดินน้ำมันชนิดเดียวกันแล้วหย่อนลงไปในน้ำอย่างระมัดระวัง อย่างที่คุณเห็นน้ำยังสูงขึ้นไปอีก เรือแทนที่น้ำมากกว่าลูกบอล ซึ่งหมายความว่าแรงลอยตัวมีมากกว่า

สิ่งมหัศจรรย์เกิดขึ้น วัสดุที่กำลังจม ลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ! เฮ้ อาร์คิมีดีส!

เพื่อป้องกันไม่ให้ร่างกายจม ความหนาแน่นของมันจะต้องน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

ไม่รู้ว่าความหนาแน่นคืออะไร? นี่คือมวลของสารที่เป็นเนื้อเดียวกันต่อหน่วยปริมาตร

การทดลองที่ 2: (ดูภาคผนวก 2)

เธอเทน้ำใส่แก้วแล้ววางไว้ข้างนอก เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง กระจกก็แตก ฉันใส่น้ำแข็งที่ขึ้นรูปแล้วลงในภาชนะที่มีน้ำเย็นและเห็นว่ามันลอยอยู่

ในภาชนะอื่น ใส่เกลือลงในน้ำให้ละเอียดแล้วคนให้เข้ากันจนละลายหมด ฉันหยิบน้ำแข็งแล้วทำการทดลองซ้ำ น้ำแข็งลอยได้ และดีกว่าน้ำจืด โดยเกือบครึ่งหนึ่งที่ยื่นออกมาจากน้ำ

ชัดเจน! ก้อนน้ำแข็งลอยได้เพราะเมื่อแข็งตัว น้ำแข็งจะขยายตัวและเบากว่าน้ำ ความหนาแน่นของน้ำของเหลวธรรมดานั้นมากกว่าความหนาแน่นของน้ำแช่แข็งเล็กน้อยซึ่งก็คือน้ำแข็ง เมื่อความหนาแน่นของของเหลวเพิ่มขึ้น แรงลอยตัวจะเพิ่มขึ้น

ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์:

ข้อเท็จจริง 1 ข้อ อาร์คิมิดีส: วัตถุใดก็ตามที่แช่อยู่ในของเหลวจะมีแรงลอยตัว

ข้อเท็จจริง 2 มิคาอิล โลโมโนซอฟ:

น้ำแข็งไม่จมเพราะมีความหนาแน่น 920 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และน้ำซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าคือ 1,000 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร

บทสรุป:

ฉันพบเหตุผล 2 ประการที่ทำให้น้ำแข็งไม่จม:

วัตถุใดๆ ที่จมอยู่ในน้ำจะต้องได้รับแรงลอยตัว

ความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำใดๆ

ลองจินตนาการว่าโลกจะเป็นอย่างไรหากน้ำมีคุณสมบัติปกติ และน้ำแข็งก็หนาแน่นกว่าน้ำของเหลว เช่นเดียวกับสสารปกติทั่วไป ในฤดูหนาว น้ำแข็งที่หนาแน่นมากขึ้นจากด้านบนจะจมลงไปในน้ำ และจมลงสู่ก้นอ่างเก็บน้ำอย่างต่อเนื่อง ในฤดูร้อน น้ำแข็งที่ถูกปกป้องด้วยชั้นน้ำเย็นไม่สามารถละลายได้

ทะเลสาบ บ่อน้ำ แม่น้ำ ลำธารทั้งหมดจะค่อยๆ แข็งตัวจนกลายเป็นน้ำแข็งขนาดยักษ์ ในที่สุดทะเลก็กลายเป็นน้ำแข็ง ตามมาด้วยมหาสมุทร โลกสีเขียวที่เบ่งบานสวยงามของเราจะกลายเป็น

ทะเลทรายน้ำแข็งที่ต่อเนื่องกัน ในบางสถานที่ปกคลุมไปด้วยชั้นน้ำละลายบางๆ หนึ่งในคุณสมบัติพิเศษของน้ำคือความสามารถในการขยายตัวเมื่อถูกแช่แข็ง ท้ายที่สุดเมื่อสารทั้งหมดแข็งตัวนั่นคือระหว่างการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะของแข็งพวกมันจะบีบอัด แต่ในทางกลับกันน้ำจะขยายตัว ปริมาณของมันเพิ่มขึ้น 9% แต่เมื่อน้ำแข็งก่อตัวบนผิวน้ำ ซึ่งอยู่ระหว่างอากาศเย็นกับน้ำ จะป้องกันไม่ให้แหล่งน้ำเย็นตัวลงและกลายเป็นน้ำแข็งอีกต่อไป คุณสมบัติของน้ำที่ผิดปกตินี้ยังมีความสำคัญต่อการก่อตัวของดินในภูเขาอีกด้วย เมื่อเข้าไปในรอยแตกเล็กๆ มักพบในหิน น้ำฝนจะขยายตัวเมื่อกลายเป็นน้ำแข็งและทำลายหิน ดังนั้นพื้นผิวหินจึงค่อย ๆ กลายเป็นที่กำบังพืชซึ่งด้วยรากของมันทำให้กระบวนการทำลายหินเสร็จสมบูรณ์และนำไปสู่การก่อตัวของดินบนเนินเขา

น้ำแข็งมักจะอยู่บนผิวน้ำและทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนอย่างแท้จริง นั่นคือน้ำที่อยู่ด้านล่างไม่เย็นลงมากนัก เพราะชั้นน้ำแข็งช่วยปกป้องจากน้ำค้างแข็งได้อย่างน่าเชื่อถือ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นเรื่องยากที่แหล่งน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งจนถึงด้านล่างในฤดูหนาว แม้ว่าจะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิอากาศสูงจัดก็ตาม

ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันเมื่อน้ำเปลี่ยนเป็นน้ำแข็งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญของน้ำ บ่อยครั้งต้องคำนึงถึงคุณลักษณะนี้ในชีวิตจริงด้วย ถ้าคุณทิ้งถังน้ำไว้ในน้ำเย็น น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งและถังแตก ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ คุณไม่ควรทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถที่จอดอยู่ในโรงจอดรถเย็น ในน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักเล็กน้อยในการจัดหาน้ำอุ่นผ่านท่อทำน้ำร้อน: น้ำที่หยุดอยู่ในท่อด้านนอกสามารถแข็งตัวได้อย่างรวดเร็วจากนั้นท่อจะแตก

ใช่แล้ว ท่อนไม้จะใหญ่แค่ไหนก็ไม่จมน้ำ ความลับของปรากฏการณ์นี้คือความหนาแน่นของไม้น้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

บทสรุป.

หลังจากทำงานหนักมามากฉันก็เข้าใจ สมมติฐานของฉันเกี่ยวกับสาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมได้รับการยืนยันแล้ว

สาเหตุของน้ำแข็งที่ไม่สามารถจมได้:

1. น้ำแข็งประกอบด้วยผลึกน้ำที่มีอากาศอยู่ระหว่างนั้น ดังนั้นความหนาแน่นของน้ำแข็งจึงน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

2. แรงลอยตัวกระทำบนน้ำแข็งจากด้านข้างของน้ำ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดาและไม่ใช่ของเหลวที่มีลักษณะเฉพาะ เราคงไม่สนุกกับการเล่นสเก็ต เราไม่ได้กลิ้งบนกระจกใช่ไหม? แต่มันนุ่มนวลและน่าดึงดูดยิ่งกว่าน้ำแข็งมาก แต่แก้วเป็นวัสดุที่รองเท้าสเก็ตจะไม่เลื่อน แต่การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง แม้ว่าจะไม่ได้คุณภาพดีนัก แต่การเล่นสเก็ตก็เป็นเรื่องที่น่ายินดี คุณจะถามว่าทำไม? ความจริงก็คือน้ำหนักของร่างกายเรากดบนใบมีดที่บางมากของสเก็ต ซึ่งออกแรงกดอย่างรุนแรงบนน้ำแข็ง จากแรงกดดันจากสเก็ต น้ำแข็งเริ่มละลาย ก่อตัวเป็นแผ่นน้ำบางๆ ที่สเก็ตสามารถร่อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ

บรรณานุกรม

สารานุกรมสำหรับเด็ก "ฉันสำรวจโลก"

Zedlag U. “สิ่งมหัศจรรย์บนโลก”

แหล่งข้อมูลทางอินเทอร์เน็ต

Rakhmanov A. I. “ ปรากฏการณ์แห่งธรรมชาติ”

สารานุกรม "โลกธรรมชาติ".

ภาคผนวก 1

ภาคผนวก 2

ภาคผนวก 3

ทำไมน้ำแข็งถึงลอยได้

ทุกคนรู้ดีว่าน้ำแข็งไม่ได้จม แต่ลอยอยู่บนผิวน้ำ ความจริงข้อนี้ผิดปกติมาก เนื่องจากน้ำแข็งเป็นของแข็ง และตามกฎแล้วของแข็งมักจะจมอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย

สารทั้งหมดในธรรมชาติจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง น้ำเป็นไปตามกฎนี้ แต่จะไม่เกินอุณหภูมิที่กำหนดเท่านั้น มันหดตัวและเย็นลงถึง +4°C ที่อุณหภูมินี้ น้ำมีความหนาแน่นและน้ำหนักมากที่สุด เมื่อมันเย็นลงอีกและกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0°C มันก็... จะขยายตัว ในเวลาเดียวกัน น้ำแข็งจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้น และความหนาแน่นและน้ำหนักก็ลดลง น้ำแข็งจะเบากว่าน้ำที่ก่อตัวขึ้นมา นี่คือสาเหตุที่น้ำแข็งไม่ละลายในน้ำ แต่ลอยอยู่บนพื้นผิว

ด้วยคุณสมบัติของน้ำแข็งนี้ น้ำในอ่างเก็บน้ำจึงแข็งตัวบนพื้นผิวเท่านั้น ถ้าน้ำแข็งจมลงในน้ำ มันก็จะจมลงสู่ก้นบึ้ง น้ำบนผิวน้ำก็จะกลายเป็นน้ำแข็งอีกครั้ง และจมอีกครั้ง...ในเวลาไม่กี่วัน อ่างเก็บน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งจากผิวน้ำสู่ด้านล่าง สัตว์และพืชทั้งหมดก็จะแข็งตัวไปพร้อมกับน้ำ... ความจริงที่ว่าน้ำแข็งเบากว่าน้ำนั้นถูก "ประดิษฐ์" โดยธรรมชาติเพื่อให้ชีวิตในน้ำไม่เกิดขึ้น ยุติการดำรงอยู่ และด้วยชีวิตไปทั่วโลก

เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็งและกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำจะขยายตัวและเพิ่มปริมาตรไม่มากเท่าไร แต่ประมาณหนึ่งในเก้า ซึ่งหมายความว่าหากน้ำ 9 ลิตรกลายเป็นน้ำแข็ง คุณจะได้น้ำแข็ง 10 ลิตร

เมื่อน้ำแข็งลอย เราจะเห็นน้ำแข็งเพียงหนึ่งในเก้าเท่านั้นบนพื้นผิว ตัวอย่างเช่น หากแผ่นน้ำแข็งมีความสูง 2 ซม. เหนือน้ำ ดังนั้นชั้นน้ำแข็งที่อยู่ใต้น้ำจะหนาขึ้น 9 เท่า ซึ่งก็คือ 2 คูณ 9 = 18 ซม. และความหนาของแผ่นน้ำแข็งทั้งหมดคือ 20 ซม.

ในทะเลและมหาสมุทรบางครั้งมีภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ - ภูเขาน้ำแข็ง เหล่านี้เป็นธารน้ำแข็งที่เลื่อนลงมาจากภูเขาขั้วโลกและถูกกระแสน้ำและลมพัดพาลงสู่ทะเลเปิด ความสูงสามารถสูงถึง 200 เมตรและปริมาตรสามารถสูงถึงหลายล้านลูกบาศก์เมตร เก้าในสิบของมวลรวมของภูเขาน้ำแข็งถูกซ่อนอยู่ใต้น้ำ ดังนั้นการพบเขาจึงเป็นอันตรายมาก หากเรือไม่สังเกตเห็นยักษ์น้ำแข็งที่กำลังเคลื่อนที่ทันเวลา เรืออาจได้รับความเสียหายร้ายแรงหรือแม้กระทั่งเสียชีวิตจากการชนกัน

เราไม่แปลกใจเลยที่ก้อนน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในช่วงต้นฤดูใบไม้ผลิ เมื่ออ่างเก็บน้ำเริ่มหลุดออกจาก “เสื้อผ้า” ในฤดูหนาว และเผยให้เห็นความงามของน้ำจืดต่อสายตามนุษย์ เราคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาตินี้มากจนแทบไม่ได้คิดถึงเรื่องนี้เลย และสงสัยว่าทำไมน้ำแข็งถึงไม่ละลาย? และถ้าคุณลองคิดดู คุณจะจำตัวอย่างที่ของแข็ง เช่น น้ำแข็ง ลอยอยู่ในของเหลวไม่ได้ทันทีที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย คุณสามารถละลายพาราฟินหรือแว็กซ์ในภาชนะแล้วโยนชิ้นส่วนของสารเดียวกันที่อยู่ในสถานะของแข็งเท่านั้นลงในแอ่งน้ำที่เกิดขึ้น และเราเห็นอะไร? ขี้ผึ้งและพาราฟินจะจมลงในของเหลวที่เกิดจากการหลอมละลายได้อย่างปลอดภัย

ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำ?ความจริงก็คือน้ำในตัวอย่างนี้ถือเป็นข้อยกเว้นที่หายากมากและมีลักษณะเฉพาะโดยเนื้อแท้ ในธรรมชาติ มีเพียงโลหะและเหล็กหล่อเท่านั้นที่มีพฤติกรรมคล้ายกับแผ่นน้ำแข็งที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ

หากน้ำแข็งหนักกว่าน้ำ มันก็จะจมลงตามน้ำหนักของมันเองอย่างแน่นอน และในเวลาเดียวกันก็ไล่น้ำที่อยู่ด้านล่างของอ่างเก็บน้ำขึ้นสู่ผิวน้ำ ผลก็คืออ่างเก็บน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็งจนถึงด้านล่างสุด! อย่างไรก็ตาม เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงก็เกิดขึ้น การเปลี่ยนน้ำเป็นน้ำแข็งทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้นประมาณ 10% และขณะนี้ก็เป็นเช่นนั้น น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำนั่นเอง- ด้วยเหตุนี้น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนผิวน้ำและไม่จม สิ่งเดียวกันนี้สามารถสังเกตได้เมื่อเรือกระดาษซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำหลายเท่าถูกหย่อนลงไปในน้ำ ถ้าเรือทำด้วยไม้หรือวัสดุอื่น เรือคงจมอย่างแน่นอน หากเราเปรียบเทียบตัวบ่งชี้ความหนาแน่นเป็นตัวเลข เช่น หากความหนาแน่นของน้ำเป็น 1 ความหนาแน่นของน้ำแข็งจะเท่ากับ 0.91

ควรคำนึงถึงปริมาณน้ำที่เพิ่มขึ้นเมื่อกลายเป็นน้ำแข็งในชีวิตประจำวัน ก็เพียงพอแล้วที่จะปล่อยให้ถังเต็มไปด้วยน้ำในความเย็นและของเหลวจะแข็งตัวและทำให้ภาชนะแตก ด้วยเหตุนี้จึงไม่แนะนำให้ทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถยนต์ที่จอดในที่เย็น นอกจากนี้ในช่วงที่มีน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักของการจัดหาน้ำอุ่นที่ไหลผ่านท่อทำความร้อน หากมีน้ำเหลืออยู่ในท่อด้านนอกก็จะแข็งตัวทันทีซึ่งจะทำให้น้ำประปาเสียหายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ดังที่ทราบกันดีว่าในมหาสมุทรและทะเลที่ระดับความลึกมาก ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำยังคงไม่แข็งตัวและไม่กลายเป็นน้ำแข็ง บล็อกน้ำแข็ง- อธิบายได้ง่ายมาก - น้ำชั้นบนสร้างแรงกดดันมหาศาล ตัวอย่างเช่น ชั้นน้ำหนึ่งกิโลเมตรกดทับด้วยแรงมากกว่าหนึ่งร้อยบรรยากาศ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดาและไม่ใช่ของเหลวที่มีลักษณะเฉพาะ เราคงไม่สนุกกับการเล่นสเก็ต เราไม่ได้กลิ้งบนกระจกใช่ไหม? แต่มันนุ่มนวลและน่าดึงดูดยิ่งกว่าน้ำแข็งมาก แต่แก้วเป็นวัสดุที่รองเท้าสเก็ตจะไม่เลื่อน แต่การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง แม้ว่าจะไม่ได้คุณภาพดีนัก แต่การเล่นสเก็ตก็เป็นเรื่องที่น่ายินดี คุณจะถามว่าทำไม? ความจริงก็คือน้ำหนักของร่างกายเรากดบนใบมีดที่บางมากของสเก็ต ซึ่งสร้างแรงกดดันอย่างมาก น้ำแข็ง- จากแรงกดดันจากสเก็ต น้ำแข็งเริ่มละลาย ก่อตัวเป็นแผ่นน้ำบางๆ ที่สเก็ตสามารถร่อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ

จะอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนให้เด็กฟังได้อย่างไร?

สิ่งแรกที่นึกถึงคือความหนาแน่น ใช่แล้ว ที่จริงแล้ว น้ำแข็งลอยได้เพราะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ แต่จะอธิบายให้เด็กฟังได้อย่างไรว่าความหนาแน่นคืออะไร? ไม่มีใครจำเป็นต้องบอกหลักสูตรของโรงเรียนให้เขาทราบ แต่ก็ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะสรุปได้ว่าน้ำแข็งง่ายกว่า ที่จริงแล้ว ปริมาณน้ำและน้ำแข็งเท่ากันก็มีน้ำหนักต่างกัน หากเราศึกษาปัญหาโดยละเอียด เราก็อาจบอกเหตุผลอื่นๆ ได้อีกหลายประการนอกเหนือจากความหนาแน่น
น้ำแข็งไม่ได้จมลงในน้ำไม่เพียงเพราะความหนาแน่นที่ลดลงทำให้ไม่จมลงเท่านั้น เหตุผลก็คือฟองอากาศเล็กๆ ถูกแช่แข็งอยู่ในน้ำแข็ง พวกเขายังลดความหนาแน่นด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปปรากฎว่าน้ำหนักของแผ่นน้ำแข็งจะยิ่งน้อยลงไปอีก เมื่อน้ำแข็งขยายตัว มันจะไม่ใช้อากาศเข้าไปมากนัก แต่ฟองอากาศทั้งหมดที่อยู่ภายในชั้นนี้จะยังคงอยู่ที่นั่นจนกว่าน้ำแข็งจะเริ่มละลายหรือระเหิด

ทำการทดลองเรื่องแรงขยายตัวของน้ำ

ผลกระทบด้านลบ

แต่มีกี่คนที่คิดเกี่ยวกับคำถามนี้: ของแข็งทั้งหมดมีพฤติกรรมเหมือนกับน้ำแข็งหรือไม่ นั่นคือลอยอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย?

ละลายพาราฟินหรือแว็กซ์ในขวดแล้วโยนสารแข็งชนิดเดียวกันอีกชิ้นลงในของเหลวนี้ สารนั้นจะจมทันที สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นกับตะกั่ว ดีบุก และสารอื่นๆ อีกมากมาย ปรากฎว่าตามกฎแล้วของแข็งมักจะจมอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย

ในการจัดการกับน้ำบ่อยที่สุด เราคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ตรงกันข้ามจนเรามักลืมคุณสมบัตินี้ ซึ่งเป็นลักษณะของสารอื่นๆ ทั้งหมด ต้องจำไว้ว่าน้ำเป็นข้อยกเว้นที่หาได้ยากในเรื่องนี้ เฉพาะบิสมัทโลหะและเหล็กหล่อเท่านั้นที่มีพฤติกรรมเหมือนกับน้ำ

หากน้ำแข็งหนักกว่าน้ำและไม่อยู่บนพื้นผิว แต่จมลง แม้แต่ในอ่างเก็บน้ำลึก น้ำก็ยังแข็งตัวในฤดูหนาว ในความเป็นจริง น้ำแข็งที่ตกลงสู่ก้นบ่อจะไล่น้ำชั้นล่างขึ้นไป และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง

อย่างไรก็ตาม เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง สิ่งตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น ทันทีที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาตรของน้ำก็เพิ่มขึ้นประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ ทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมมันจึงลอยอยู่ในน้ำได้ เช่นเดียวกับวัตถุใดๆ ลอยอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นสูง เช่น ตะปูเหล็กในปรอท ไม้ก๊อกในน้ำมัน ฯลฯ ถ้าเราถือว่าความหนาแน่นของน้ำเท่ากับความสามัคคี ความหนาแน่นของน้ำ น้ำแข็งจะเหลือเพียง 0.91 ตัวเลขนี้ช่วยให้เราทราบความหนาของน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในน้ำได้ หากความสูงของน้ำแข็งลอยอยู่เหนือน้ำ เช่น 2 เซนติเมตร เราก็สรุปได้ว่าชั้นน้ำแข็งใต้น้ำมีความหนากว่า 9 เท่า ซึ่งเท่ากับ 18 เซนติเมตร และน้ำแข็งทั้งหมดมีความหนา 20 เซนติเมตร หนาเป็นเซนติเมตร

ในทะเลและมหาสมุทรบางครั้งมีภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ - ภูเขาน้ำแข็ง (รูปที่ 4) เหล่านี้เป็นธารน้ำแข็งที่เลื่อนลงมาจากภูเขาขั้วโลกและถูกกระแสน้ำและลมพัดพาลงสู่ทะเลเปิด ความสูงสามารถสูงถึง 200 เมตรและปริมาตรสามารถสูงถึงหลายล้านลูกบาศก์เมตร เก้าในสิบของมวลรวมของภูเขาน้ำแข็งถูกซ่อนอยู่ใต้น้ำ ดังนั้นการพบเขาจึงเป็นอันตรายมาก หากเรือไม่สังเกตเห็นยักษ์น้ำแข็งที่กำลังเคลื่อนที่ทันเวลา เรืออาจได้รับความเสียหายร้ายแรงหรือแม้กระทั่งเสียชีวิตจากการชนกัน

ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันระหว่างการเปลี่ยนน้ำของเหลวเป็นน้ำแข็งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของน้ำ บ่อยครั้งต้องคำนึงถึงคุณลักษณะนี้ในชีวิตจริงด้วย ถ้าคุณทิ้งถังน้ำไว้ในน้ำเย็น น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งและถังแตก ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ คุณไม่ควรทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถที่จอดอยู่ในโรงจอดรถเย็น ในน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักเล็กน้อยในการจัดหาน้ำอุ่นผ่านท่อทำน้ำร้อน: น้ำที่หยุดอยู่ในท่อด้านนอกสามารถแข็งตัวได้อย่างรวดเร็วจากนั้นท่อจะแตก

การแช่แข็งในรอยแตกของหิน น้ำมักทำให้ภูเขาพังทลาย

ตอนนี้ให้เราพิจารณาการทดลองหนึ่งที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการขยายตัวของน้ำเมื่อถูกความร้อน การจัดเตรียมการทดลองนี้ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ และไม่น่าเป็นไปได้ที่ผู้อ่านคนใดจะสามารถทำซ้ำที่บ้านได้ ใช่แล้ว นี่ไม่ใช่ความจำเป็น ประสบการณ์นี้ง่ายต่อการจินตนาการและเราจะพยายามยืนยันผลลัพธ์โดยใช้ตัวอย่างที่ทุกคนคุ้นเคย

ลองใช้โลหะที่แข็งแรงมากโดยเฉพาะกระบอกเหล็ก (รูปที่ 5) เทกระสุนลงไปที่ด้านล่าง เติมน้ำ ยึดฝาปิดด้วยสลักเกลียวแล้วเริ่มหมุนสกรู เนื่องจากน้ำบีบอัดน้อยมาก คุณจึงไม่ต้องหมุนสกรูเป็นเวลานาน หลังจากการปฏิวัติไม่กี่ครั้ง ความดันภายในกระบอกสูบก็เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยบรรยากาศ หากตอนนี้คุณทำให้กระบอกสูบเย็นลงถึง 2-3 องศาต่ำกว่าศูนย์ น้ำในนั้นจะไม่แข็งตัว แต่คุณจะมั่นใจเรื่องนี้ได้อย่างไร? ถ้าเราเปิดกระบอกสูบ ที่อุณหภูมิและความดันบรรยากาศเท่านี้ น้ำก็จะกลายเป็นน้ำแข็งทันที และเราจะไม่รู้ว่าเมื่ออยู่ภายใต้ความกดดันจะเป็นของเหลวหรือของแข็ง เม็ดโรยจะช่วยเราตรงนี้ เมื่อกระบอกสูบเย็นลง ให้พลิกกลับด้าน หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง กระสุนจะอยู่ที่ด้านล่าง หากน้ำไม่แข็ง กระสุนจะสะสมอยู่ที่ฝา มาคลายเกลียวสกรูกัน แรงดันจะลดลงและน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งอย่างแน่นอน หลังจากถอดฝาออกแล้ว เราต้องแน่ใจว่าช็อตทั้งหมดมารวมตัวกันใกล้ฝาแล้ว ซึ่งหมายความว่าน้ำภายใต้ความกดดันไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าจุดเยือกแข็งของน้ำลดลงตามความกดดันที่เพิ่มขึ้นประมาณหนึ่งองศาต่อ 130 บรรยากาศ

หากเราเริ่มให้เหตุผลโดยอาศัยการสังเกตสารอื่นๆ มากมาย เราก็จะได้ข้อสรุปที่ตรงกันข้าม ความดันมักจะช่วยให้ของเหลวแข็งตัวได้ ภายใต้ความดัน ของเหลวจะแข็งตัวที่อุณหภูมิสูงขึ้น จึงไม่น่าแปลกใจหากคุณจำได้ว่าสารส่วนใหญ่จะมีปริมาตรลดลงเมื่อพวกมันแข็งตัว ความดันทำให้ปริมาตรลดลงและทำให้การเปลี่ยนของเหลวเป็นสถานะของแข็งสะดวกขึ้น เมื่อน้ำแข็งตัวดังที่เราทราบอยู่แล้วปริมาณจะไม่ลดลง แต่กลับขยายตัว ดังนั้นแรงดันที่ป้องกันการขยายตัวของน้ำจึงทำให้จุดเยือกแข็งลดลง

เป็นที่ทราบกันว่าในมหาสมุทรที่ระดับความลึกมาก อุณหภูมิของน้ำจะต่ำกว่าศูนย์องศา แต่น้ำที่ระดับความลึกเหล่านี้ก็ไม่กลายเป็นน้ำแข็ง สิ่งนี้อธิบายได้จากความกดดันที่เกิดจากชั้นบนของน้ำ ชั้นน้ำหนาหนึ่งกิโลเมตรกดทับด้วยแรงประมาณหนึ่งร้อยบรรยากาศ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดา เราแทบจะไม่ได้สัมผัสกับความสนุกสนานในการเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง มันก็จะเหมือนกับการกลิ้งบนกระจกที่เรียบลื่นอย่างสมบูรณ์แบบ รองเท้าสเก็ตไม่ลื่นบนกระจก มันเป็นเรื่องที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับน้ำแข็ง การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็งเป็นเรื่องง่ายมาก ทำไม ภายใต้น้ำหนักของร่างกายเรา ใบมีดบางของสเก็ตสร้างแรงกดดันต่อน้ำแข็งค่อนข้างแรง และน้ำแข็งใต้สเก็ตก็ละลาย เกิดฟิล์มน้ำบาง ๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นที่ดีเยี่ยม