С.В.Коновалихин,
ЭСОШ № 75 РАО, г. Черноголовка, Московская обл.
ksv22@bk.ru
Определение скорости роста кристаллов из раствора
Лабораторная работа. 10-й класс
Предлагаемая лабораторная работа (я успешно провожу её более десяти лет) позволяет продемонстрировать учащимся анизотропию кристаллов. Как показывает опыт, понятие анизотропии воспринимается учащимися очень плохо, разъяснение понятий «элементарная ячейка», «пространственная группа» требует больших затрат учебного времени и т.п., – эти понятия практически не воспринимаются.
Как доказать школьникам, что кристаллы анизотропны? Идея пришла при проведении обычной лабораторной работы № 7 из учебника «Физика-10», под ред. А.А.Пинского (М.: Просвещение, 1993) «Наблюдение процесса роста кристаллов из раствора». Немного изменив её, мне удаётся объяснить, а самое главное, показать анизотропию, в частности, различие скорости роста в разных направлениях. Эта работа также позволяет показать способ оценки размеров малых тел путём сопоставления их размеров с размерами известных предметов. Учащиеся видят воочию различие между поли- и монокристаллами. Работа требует высокой степени аккуратности и дисциплинированности: небольшое колебание предметного стекла приводит к потере выбранного кристалла, и эксперимент приходится повторять. Недопустимы какие-либо колебания парты, поскольку выбранный для наблюдения кристалл может «уплыть». Нельзя менять настройки микроскопа. Таким образом, данная лабораторная работа позволяет одновременно решить несколько учебных и воспитательных задач. С другой стороны, высокая скорость (1–4 мм/с) роста кристаллов гипосульфита натрия (проявителя для фотоплёнки) позволяет повторить измерения в течение одного академического часа.
Оборудование и материалы: микроскоп школьный (МШБ-2), насыщенный раствор гипосульфита натрия, предметное стекло, часы.
Цель работы: наблюдение за процессом роста кристаллов из раствора, сравнение скорости роста кристалла в различных направлениях.
Ход работы
1. Поместите на столик микроскопа линейку. Отрегулируйте освещение и добейтесь чёткого изображения миллиметровых рисок линейки. Определите размер поля зрения микроскопа. (На микроскопе МШБ-2 поле зрения 2 мм.) Зная его, можно оценить размер объектов, помещённых на столик микроскопа. (Учащимся, успевшим сделать все измерения и расчёты, я предлагаю оценить толщину их волоса.)
2. Поместите на столик микроскопа предметное стекло. Добейтесь чёткого изображения поверхности стекла.
3. Попросите учителя нанести на поверхность стекла капельку раствора гипосульфита натрия.
4. Найдите в капельке (лучше всего в её центре) кристаллик гипосульфита натрия, имеющий форму прямоугольника. Поверните предметное стекло так, чтобы одна из сторон прямоугольника располагалась в поле зрения микроскопа горизонтально, а другая – вертикально.
5. Оцените длину и ширину кристалла. Результаты занесите в таблицу.
6. Повторите измерение размеров кристалла через 1, 2, 3, 4, 5 мин. Результаты занесите в таблицу. Рассчитайте скорость роста кристалла в горизонтальном (l) и вертикальном (h) направлениях. (За счёт высокой скорости роста кристаллы гипосульфита натрия за 5–6 мин полностью кристаллизуются, закрывая всё поле зрения микроскопа. Поэтому продолжительность наблюдений ограничивается 4–6 мин.)
7. Сравните скорости роста кристалла в горизонтальном и вертикальном направлениях. Почему они различаются?
8. Скажите, как называется явление зависимости физических свойств кристалла от направления?
Примечания
Упрощённый вариант работы. По моим наблюдениям, кристаллы гипосульфита прямоугольного сечения в процессе роста превращаются в кристаллы квадратного сечения. Поэтому можно не проводить измерения скорости роста, а попросить учащихся зарисовать форму кристалла в начале наблюдения и в конце. Переход прямоугольник
квадрат уже хорошо показывает, что в
одном направлении кристалл растёт быстрее, чем в
другом.
Кристаллы могут «путешествовать» в растворе. Поэтому желательно следить за выбранным кристаллом непрерывно, в течение всего наблюдения.
- Высокий интерес вызывает конкурс на самый красивый или самый большой выращенный в ходе лабораторной работы монокристалл.
Если у вас вдруг...
Если у вас порвался пасик электрофорной машины, найдите отработанную автомобильную камеру диаметром R13, вырежьте из неё кольцо – и новый пасик готов. У меня такой работает уже три года.
Если у вас порвался шкив привода электронасоса, найдите отработанную автомобильную камеру диаметром R16 (грузовик КАМАЗ, ЗИЛ), вырежьте из неё кольцо – и новый шкив готов. Хотя он работает очень недолго (2–40 мин), но на «пожарный» случай такое приспособление следует иметь.
Если вдруг у вас перестал работать комплект приборов для демонстрации принципа работы детекторного радиоприёмника, проверьте, есть ли на данном частоте вещания амплитудно-модулированный сигнал. Я полгода искал причину неисправности двух моих моделей, а потом принёс приёмник, работающий в AM- и FM-диапазонах и обнаружил, что на внутреннюю антенну АМ-сигнал не принимается. Все ближайшие радиостанции работают только в FM-диапазоне. По-видимому, это характерно для больших городов.
Демонстрация «Свойства электромагнитных волн» (11-й класс) предполагает в стандартной комплектации в качестве детектора интенсивности получаемого сигнала использовать соединённый с приёмником сантиметровых волн УНЧ и громкоговоритель [1] и анализировать уровень сигнала по громкости. Однако, чтобы все учащиеся услышали изменение громкости сигнала, усиление надо повышать, но тогда не слышно учителя (хотя для классов с низкой дисциплиной это даже хорошо – усиление весьма неприятного для уха сигнала можно считать воспитательным методом). В более поздних публикациях рекомендуется использовать в качестве детектора демонстрационный вольтметр [2].
Я предлагаю использовать в качестве детектора принимаемого сигнала осциллограф, например, стандартный ОДШ-2. Во-первых, акцентируется внимание учеников на том, что осциллограф является средством наблюдения слабых электрических сигналов. Это одна из немногих возможностей показать, для чего нужна электронно-лучевая трубка и, следовательно, осциллограф. Немаловажно, что при этом можно следить за дисциплиной во время урока.
Во-вторых, послав одновременно сигнал на осциллограф и на громкоговоритель (через УНЧ), можно продемонстрировать, что звуковые волны могут быть не только синусоидальными. Таким образом, ученикам можно наглядно показать вредное влияние на состояние человека механических колебаний различной частоты и формы.
В-третьих, при демонстрации принципа работы радиолокатора вид сигнала от отражённого предмета похож на тот, что приводится на рисунках в различных учебниках, что усиливает доверие учащихся к сообщаемой информации. я использую старенький ламповый генератор П-образных колебаний. На экране осциллографа, соединённого с приёмником, импульсы имеют вид, показанный справа. Легко показать, что уровень сигнала зависит от удалённости предмета. В профильных классах мне удаётся даже провести фронтальную лабораторную работу и построить график зависимости уровня сигнала (в сантиметрах) от удалённости (в метрах) цели.
В-четвёртых, при проведении физического практикума в профильных классах данная демонстрация может успешно использоваться для объяснения принципа работы мультивибратора.
Литература
1. Буров В.А., Зворыкин Б.С., Кузьмин А.П., Покровский А.А., Румянцев И.М. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Ч. 2. – М.: Просвещение, 1979, с. 143, рис. 1-152.
2. Шахмаев Н.М., Павлов Н.И., Тыщук В.И. Физический эксперимент в средней школе. – М.: Просвещение, 1991, с. 85–87, 102, 118, 125.
Сергей Владимирович Коновалихин – учитель физики и астрономии, кандидат химических наук. Область научных интересов – квантовая химия, корреляция свойств молекул и кристаллов, кристаллохимия органических и неорганических соединений. Имеет более 90 научных статей в советских, российских и зарубежных журналах.