ЗАДАЧА 8 САХАР И СОЛЬ Всероссийский турнир юных физиков Докладчик: команда «Кипящий лед», МБОУ СОШ 93, город Барабинск, Новосибирская область 1

Условие задачи Задача 8. Сахар и соль Если осветить контейнер со слоем раствора сахара, расположенным над слоем раствора соли, то на отброшенной им тени может наблюдаться характерный узор. Исследуйте данное явление и его зависимость от существенных параметров. 2

План работы Изготовить экспериментальную установку ; Провести наблюдение за процессом образования узоров ; Объяснить явление на основе научной теории ; Провести ряд экспериментов, исследуя зависимость явления от различных параметров. 3

Экспериментальная установка Оптическая скамья Аквариум Воронка Стеклянная трубка с иглой 4

Эксперимент 1 5

Параметры растворов V 1 = V 2 = 400 мл T 1 =T 2 = 25 °C m соли в рассоле = 15 г m сахара в сладком растворе = 15 г Р соли = 1, 027 г / см 3 Р сахара =1, 014 г / см 3 6

Эксперимент 1 t=0, h=0 7

Эксперимент 1 t=10 мин, h=0,2 см 8

Эксперимент 1 t=30 мин, h=0,7 см 9

Эксперимент 1 t=60 мин (1 ч), h=1,3 см 10

Эксперимент 1 t=90 мин (1,5 ч), h=1,9 см 11

Эксперимент 1 t=120 мин (2 ч), h=2,5 см 12

Эксперимент 1 t=360 мин (6 ч), h=5 см 13

Физика явления 14

Процесс образования пальцев Устойчиво Соль, ρ 2 Сахар, ρ 1 ρ 1 <ρ 2 Но! Случайная нестабильность отправляет небольшой объем сахара вниз 15

Процесс образования пальцев Сахар, ρ 1 Соль, ρ 2 16

Процесс образования пальцев ρ 1 ρ 1 > ρ 1 ρ 2 ρ 2 < ρ 2 Сахар, ρ 1 Соль, ρ 2 17

« Соляно - температурная » система Холодная пресная вода Горячий рассол Коэффициент теплопроводности больше, по сравнению с коэффициентом диффузии соли: K T /K S =

Теория ( по Штерну ) L h 1/4, где L – ширина, h – длина Зависимость ширины пальцев от их длины Эксперимент 19

Зависимость длины пальцев от времени Теория ( по Штерну ): L t 1/2 L h 1/4 t2t2 h t 2 20

Зависимость длины пальцев от времени Эксперимент 21

Зависимость явления от различных параметров 22

Скорость диффузии соли зависит от : Температуры Концентрации Высоты слоев 23

Зависимость явления от ТЕМПЕРАТУРЫ РАСТВОРОВ 24

Зависимость скорости диффузии от температуры Соль Сахар Соль Сахар Соль Сахар Соль Сахар Соль Сахар Растворы комнатной температуры Два горячих раствора Два холодных раствора Холодный раствор над горячим Горячий раствор над холодным 25

Растворы комнатной температуры : T 1 = T 2 = 25˚ С Горячие растворы : T 1 = T 2 = 55˚ С Зависимость длины пальцев от времени при изменении температуры 26

Растворы комнатной температуры : T 1 = T 2 = 25˚ С Холодные растворы : T 1 = T 2 = 15˚ С Зависимость длины пальцев от времени при изменении температуры 27

Зависимость длины пальцев от времени при изменении температуры Диффузивная конвекция Соль,t 2 Сахар, t 1 Холодный сладкий (менее соленый) слой, t 1 Более теплый соленый слой, t 2 t 1 < t 1 < t 2 < t 2 28

Зависимость длины пальцев от времени при изменении температуры Устойчиво Соль, ρ 2 Сахар, ρ 1 ρ 1 < ρ 2 29

Зависимость явления от КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ 30

Зависимость скорости диффузии от концентрации Пределы концентрации сахара и соли в растворе : 6 г / л < С < 20 г / л 31

Зависимость скорости диффузии от концентрации Длина солевых пальцев растет быстрее, когда концентрация сахара повышается Концентрация соли зафиксирована на 10 г/л, плотность 1, 07 г/мл 32

Зависимость скорости диффузии от концентрации Соленые пальцы при повышении концентрации соли увеличиваются в длине медленнее Концентрация сахара зафиксирована на 12 г/л, плотность 1,003 33

Зависимость явления от ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ 34

Зависимость скорости диффузии от толщины слоев Скорость роста солевых пальцев увеличивается, когда толщина слоев уменьшается. Концентрация соли 12 г/л; концентрации сахара 10 г/л 35

Итоги работы Объяснили механизм образования пальцев на основе научной теории. Экспериментальным путем получили диапазон концентрации сахара и соли в растворах, при которых явление является наблюдаемым. Проследили зависимость длины пальцев от температуры растворов, их концентрации и толщины слоев. Полученные данные сравнивались с теоретическими оценками, предложенными Тернером и Штерном и в большинстве случаев находились в согласии с ними. 36

Благодарю за внимание ! 37