Овощи и фрукты -источники энергии

Работу выполнила:

Жулина Юлия Викторовна

ученица 10 класса

МОУ СОШ № 22 х.Зайцева

Курского муниципального района

Ставропольского края

Руководители:

Берюмова О.Н.

учитель физики 

 Жулина Г.В.

учитель биологии

                                      2010 г, х.Зайцев

Содержание

Введение

В последнее время человечество сталкивается с дефицитом энергоресурсов. Грядущее истощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать новые возобновляемые источники энергии, к числу которых причисляют и растения. Только зеленое растение является той единственной в мире лабораторией, которая усваивает солнечную энергию и сохраняет ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза.

Значение фотосинтеза как одного из процессов превращения энергии не могло быть оценено до тех пор, пока не возникло само представление о химической энергии. В 1845 Р.Майер пришел к выводу, что при фотосинтезе световая энергия переходит в химическую потенциальную энергию, запасаемую в его продуктах. В 1972 году ученый М.Кальвин выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл.

В Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую  с помощью цианобактерий, выращенных в питательных средах. Эксперименты продолжаются и по сей день в разных странах, в том числе и в России. На сегодняшний день точно установлено: собственной «электростанцией» обладает каждая живая клетка. И клеточные потенциалы не так уж малы. Например, у некоторых водорослей они достигают 0,15 В.   А если овощи и фрукты также имеют небольшое количество электрического заряда, следовательно, они могут быть и источниками энергии.  

Поэтому целью работы стало исследование природных источников тока у овощей и фруктов.

 Задачи:

- изучить современные представления об источниках тока у растений;

- изучить историю появления батареек;

- проанализировать электропроводность овощей во время их  хранения;

- провести исследования фруктово-овощных батареек;

- формировать практические умения и навыки закладки и проведения экспериментов, опытов и наблюдений.

1. Объектом исследования стали фрукты и овощи.

Предметом исследования стало изучение овощных и фруктовых  источников тока.

Гипотеза:  Так как фрукты и овощи состоят из различных минеральных веществ (электролитов), то они могут стать природными  источниками тока.

В работе использованы различные литературные источники по теме исследования, на основе чего и проводились исследования.

Работу можно использовать на уроках биологии, экологии, физики и внеклассных мероприятиях. Наши исследования будут интересны не только школьникам и педагогам, но и всем тем, кто любит физику и биологию.

1.  Процесс фотосинтеза – как один из альтернативных источников энергии        

  Выяснение природы фотосинтеза началось еще во времена зарождения современной химии. Большой вклад  в изучение процесса фотосинтеза внес наш российский ученый К.А.Тимирязев. Он впервые доказал экспериментально, что закон сохранения энергии справедлив и по отношению к фотосинтезу.

Процесс фотосинтеза, протекающий в клетке растения, является одним из главных процессов. В ходе него происходит не только разделение молекул воды на кислород и водород, но и сам водород в какой-то момент оказывается разделенным на составные части — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра... Так что, если в этот момент ученым удастся «растащить» положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, можно получить замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород. Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты ученым придется немало потрудиться: нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды.

Данные исследований лаборатории молекулярной биологии и биофизической химии МГУ по созданию таких мембран показали, что живая клетка, запасая электрическую энергию в митохондриях, использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры... С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит,  движется (как это делают листочки всем известной мимозы-недотроги), растет.

2. Из истории создания батарейки

            Об электричестве знали еще древние греки. Если взять янтарь и натереть шерстяной тканью, то создается заряд статического электричества. Янтарь они называли «электрон». А в пирамидах Древнего Египта ученые обнаружили сосуды, напоминающие аккумуляторы. Термин электричество (electricity) ввел английский естествоиспытатель, лейб-медик королевы Елизаветы Уильям Гилберт. Впервые он употребил это слово в своем трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле», который был издан в 1600 году. В этом сочинении ученый объяснял действие магнитного компаса, а также приводил описания некоторых опытов с наэлектризованными телами.

История создания простой батарейки уходит своими корнями в XVIII в., и, как ни странно, толчок к созданию этого источника тока был дан не физиком, а биологом. В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л.Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы препарированных лягушек. Совершенно случайно получилось так, что в той комнате работал и его приятель – физик, проводивший опыт с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина. В это время в комнату вошла жена Гальвани. Её взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мёртвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету, дёргались. Она с ужасом указала на это мужу. Столкнувшись с необъяснимым явлением, Гальвани счёл за лучшее детально исследовать его на опыте. Гальвани был физиологом, а не физиком, поэтому видел причину явлений в некоем «живом электричестве», различном в мускулах и нервах. Свою теорию о «животном электричестве» Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа – электрические рыбы. Он не сумел правильно объяснить наблюдаемое им явление, это было сделано позже другим учёным – физиком Алессандро Вольта.  Многочисленные опыты показали физическую природу источника тока; они привели к созданию первого гальванического элемента.

Вольта брал две монеты – обязательно из разных металлов – и… клал их себе в рот: одну – на язык, другую – под язык. Когда он соединял монеты проволочкой, то чувствовал солоноватый вкус. Тот же вкус, но гораздо слабее, мы можем почувствовать, лизнув одновременно оба контакта батарейки. Из опытов, проведённых раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством. 20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях на заседании Лондонского Королевского общества. С того дня источники постоянного электрического тока – Вольтов столб и батарея – стали известны многим физикам и начали широко использоваться.

 Получить источник тока, подобный Вольтову столбу можно, используя различные овощи или фрукты. Один из «рецептов изготовления» гальванического элемента был описан ещё в 1909 г. В сырую картофелину вставляют железный гвоздь и медную пластинку, соединённые с гальванометром. Стрелка гальванометра отклоняется, что указывает на наличие тока в цепи. (Приложение 1)

3.   Исследования

3.1 Овощи и фрукты - источники тока

Из различных литературных источников мы выяснили, что все овощи и фрукты имеют небольшое количество электрического заряда, следовательно, они могут быть и источниками энергии.  Ученые утверждают, что если у нас дома отключат электричество, мы сможем некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Это открытие было сделано еще 200 лет назад итальянским физиком Александром Вольта, и уже в 1800 году он изобрел первую фруктовую батарейку. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прародителем всех нынешних батареек.
В своих исследованиях мы решили проверить могут ли овощи и фрукты стать источниками энергии. 

3.2.  Исследования  электропроводности овощей и фруктов  

В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами.

Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Несмотря на большие различия в конструкции и назначении, химические источники тока работают по схожему принципу. Уже в 19 веке учёными были получены бесспорные доказательства существования электрических процессов в растительных тканях.

Мы воспользовались этим способом  и измеряли микроамперметром силу тока в плодах  и овощах при помощи электродов   диаметром 1 мм (медный и стальной), погружая их на глубину 2 см., расстояние между электродами было не более 3 см.

Для исследования были взяты овощи и фрукты, предназначенные для зимнего хранения в домашних условиях. (табл.1)

Таблица1.Исследования электропроводности овощей и фруктов во время хранения

Примечание: I, мкА - сила тока, микроамперы

 m,г - масса плода, граммы

Результаты исследований за несколько месяцев показали, что жидкости в плодах всех исследуемых веществ оказалось в три раза меньше от первоначального. Давно известно, что все  плоды растений представляют собой открытые системы биологического происхождения сложного физико-химического состава с характерными особенностями функционирования в течение всего их развития и хранения. А преобладающим компонентом является вода. Способность овощей и фруктов к длительному хранению определяется не количественным содержанием воды, а её состоянием, т.е. формой связи с сухим веществом продукта, её молекулярной способностью переходить из жидкого состояния в газообразную фазу.

Следовательно в процессе хранения овощи и фрукты  «усыхают», т.е количество жидкости в них  уменьшается,  а содержание газов увеличивается, в результате чего электpопpоводность их тоже  уменьшается.   Используя такие данные, легко отличить плоды  нового урожая  текущего года  от плодов и овощей  прошлого.  А основная характеристика при хранении - это постоянство массы сухого вещества при изменении массы жидкости.

3.3  Создание фруктовых и овощных источников тока        

Итак, для создания фруктовой батареи мы попробовали взять лимоны, яблоки, бананы, киви, апельсины, которых в избытке в наших магазинах. Положительным полюсом определили несколько  блестящих медных пластин.  Для создания отрицательного полюса решили использовать  оцинкованные пластины. Конечно же, понадобились  провода,  с зажимами на концах. (Приложение 2)

Рис.1. Лимонная батарейка

Ножом сделали в фруктах небольшие надрезы, куда  вставляли наши пластины (электроды). После соединения всех частей воедино  у нас получилась фруктовая лимонная батарейка (рис.1)

3.3.1  Исследование фруктовых и овощных батареек

Экспериментально было выявлено, что постепенно сила тока и напряжение уменьшаются. Оказалось, что величины силы тока и напряжения связаны с кислотностью продукта. (табл.2.) Затем  испытали   и разные комбинации последовательно соединённых продуктов.  (Приложение 3)

Таблица 2. Исследование фруктовых батареек

     Рис.2.Изготовление гальванометра

Анализ исследования показал, что наибольшее значение силы тока наблюдается у соленого огурца, сырого картофеля (Приложение 4) и лимона. Значения напряжения и силы тока в варёном картофеле в два раза больше, чем в сыром.  Гораздо интереснее результаты соединений источников последовательно. Если два огурца имеют напряжение практически вдвое больше, чем один (как и должно быть), то соединение элементов на основе разных кислот даёт возрастание напряжения большее, чем простая сумма двух компонентов.  Объяснить увеличение напряжения огурца и лимона при их соединении мы не можем. Может быть, это случайное выпадение результатов. Ведь в пределах погрешности напряжение на лимоне и огурце равно сумме напряжений их по отдельности.  

3.4  Исследование  гальванических элементов

 Мир физики велик и интересен, экспериментировать можно со всем, что есть под рукой, и если нет приборов, то можно изобрести самому, например гальванометр. При попытке определить электродвижущую силу (ЭДС) солёных овощей при помощи самодельного гальванометра мы столкнулись с проблемой: сопротивление гальванометра оказалось очень мало (0,8 Ом). Это приводило к тому, что напряжение на зажимах ЭДС падало до практически не измеряемой величины.   Все операции пришлось проводить очень быстро, так как ЭДС резко падало при протекании тока в цепи (элемент разряжался).  

Для чистоты эксперимента мы взяли огурец и помидор одного посола.

С помощью компаса, картона и изолированной медной проволоки изготовили гальванометр (рис.2) и откалибровали его с помощью пальчиковой батареи напряжением в 1, 5 В.  Стрелка компаса отклонилась на 600, следовательно, 10 соответствует напряжению 1,5/60 B.

Сделали два гальванических элемента:

a) из соленого огурца, поместив электроды на расстоянии 2 см друг от друга;

 б) из соленого помидора (те же электроды размещены также). (рис.3)

Рис.3. Гальванические элементы

Результаты эксперимента показали, что при присоединении первого гальванического                                                           элемента стрелка компаса отклонилась на 300. Следовательно, напряжение первого гальванического элемента равняется: 0.76 В. При присоединении второго гальванического элемента стрелка компаса отклонилась на 150. Следовательно, напряжение второго гальванического элемента равняется 0.38 В.Сделали кашицу из огурца. Измерили напряжение кашицы - показания гальванометра не изменились. Затем измерили напряжение кашицы помидора - стрелка компаса отклонилась на 600. Следовательно, напряжение равно 1,53 В.

 Измерение ЭДС в соленых овощах проводилось по принципу получения напряжения в гальванических элементах. Для этого два разнородных электрода погружались в овощи на глубину 1 и 2 см с изменением расстояния между электродами с 1 см до 32см и выдерживались 2 секунды. Причем изменялась и ширина электродов.
Результаты измерений сведены в таблицу 3.  

                                Таблица 3. Исследование гальванических элементов

Таким образом, у нас получилось,  что проводимость целого огурца в 2 раза больше, чем проводимость целого помидора. Суть этого явления состоит в том, что под кожурой огурец однороден, а помидор имеет мякоть с перегородками, которые являются диэлектриками. Поэтому целый помидор проводит ток хуже, чем огурец. Сделав кашицу (пюре) из помидора, мы избавляемся от перегородок (т.е. среда становится однородной), и проводимость помидора становится лучше, чем проводимость огурца. В ходе эксперимента было замечено, что  для работы плеера в отсутствии батареек на 1,53 В, можно вместо каждой из них в качестве источника тока использовать или 2 соленых огурца, или 4 соленых помидора; пюре из соленого помидора может заменить целую батарейку. Последние (огурцы и помидоры) в отличие от химических источников тока являются экологически чистыми. В первоначальный момент погpужения электродов в овощи наблюдался скачок стрелки компаса до 1,1 В в помидорах и до 1В в огурцах, затем ее постепенный спад, что свидетельствует о разрушении оболочки клетки. Для точного определения зависимости ЭДС от размеров электродов, расстояния между ними и глубины погpужения необходим более точный прибор.

3.5. Использование самодельных приборов для исследований качества воды

Но самым любопытным оказалось, что даже у воды, взятой из разных источников (водопровод, колодец, пруд), создаваемая разность потенциалов заметно отличается. Это даёт возможность использовать наш прибор для быстрого анализа качества воды. Чем больше примесей, тем большее напряжение фиксирует вольтметр. Возможно, наш прибор можно использовать для мониторинга малых рек. Есть идея использовать элемент Вольта для анализа овощей и фруктов на содержание нитратов.
 3.6. Оценка практического применения электрических свойств овощей.

В ходе измерений мы попытались оценить возможность практического применения электрических свойств овощей. В частности, мы попытались зажечь светодиод от огурца и лимона. Опыт показал, что, вследствие большого внутреннего сопротивления элементов и малой их ёмкости лампа не зажигалась.

Проведя эксперименты, мы, с одной стороны, убедились в том, что даже привычные нам предметы питания могут выступать в необычной роли. С другой стороны, мы убедились в выполнении законов физики. Поэтому мы планируем в дальнейшем выяснить, сколько лимонов потребуется для работы бытовых электроприборов.

4. Выводы:

1. Фрукты  и овощи могут служить источниками тока, если ввести в них медный и    цинковый электроды.

2.Экспериментально установлено, что величина тока, создаваемого исследуемым овощем или фруктом, не зависит от его размера, а определяется наличием в нем растворов минеральных солей, видом электродов.

3.Величины силы тока и напряжения связаны с кислотностью продукта и с разными комбинациями последовательно соединённых продуктов.  

4.Анализ исследования показал, что наибольшее значение силы тока (0,2 А) наблюдается у соленого огурца, сырого картофеля и лимона. Значения напряжения и силы тока в варёном картофеле в два раза больше, чем в сыром.

5. Проводимость электрического тока зависит от однородности овощей и фруктов.

6. В процессе хранения овощи и фрукты  «усыхают», т.е количество жидкости в них  уменьшается,  а содержание газов увеличивается, в результате чего электpопpоводность их тоже уменьшается.    

7.Фруктовые и овощные батарейки могут заменять карманные батарейки для освещения холодильника, погреба (банка с огурцами и электроды), а также в экстремальных ситуациях (отключение электричества). 

5. Литература

1. Алексеева М.Н. Физика – юным. – М.: Просвещение, 1980, с.174
2. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений –М.:-Агропромиздат, 1991, с.336
3. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1984, с.225
4. Генкель П.А. Физиология растений: Учебное пособие по факультативному  курсу для IX кл. – М.: Просвещение, 1985, с.175
5. Громов С.В., Родина Н.А. Физика-9. – М.: Просвещение, 2000, с.339
6. Зауралов О.А Краткий курс физиологии и биохимии растений – Саранск: изд-во Мордов. Ун-та, 1995, с.197 
7. Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986, с.155
8. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М.: Просвещение, 1974, с.235
9. Кириллова И.Г. Книга для чтения по физике. 6–7 кл. – М.: Просвещение, 1978, с. 198
10. Красновский А.А. Преобразование энергии света при фотосинтезе – Саранск, 1987, с.223
11. Полевой В.В. Физиология растений- М.: Высш. шк., 1989, с.150
12. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. – М.: Просвещение, 1999, с.336
13. Тимирязев К.А.Жизнь растения.-М.:ОАО «Типография «Новости» совместно с издательством МСХА, 2006 -320 с.
14. Энциклопедия «Что такое? Кто такой?» Т. 3. – М.: Педагогика, 1978, с.543
15. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика: Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: АСТ, 1996, с.613
16. Шолле В.Д.Энциклопедический словарь. Естествознание.-М: Большая Российская энциклопедия, 2003 – 543 с.

Приложение 1          

Изготовление генератора электрического тока из картофеля

 Практически в любом фрукте и овоще есть электричество, поскольку они заряжают нас, людей, энергией при их употреблении.

Можно сделать из картофеля генератор электрического тока. Для этого понадобятся один картофель, две зубочистки, нож и чайная ложка, два провода, зубная паста и соль. Провода следует зачистить, картофель разрезать на две половинки при помощи ножа, провода продеть через половинку картофеля. С помощью ложечки сделать в другой половинке картофеля выемку (ямочку) - размер ямочки равен размеру ложечки. Зубную пасту смешать с солью и наполнить ею выемку в половинке картофеля. Затем соединить две половинки (провода с внутренней стороны следует подогнуть, но так чтобы они были обмакнуты в зубную пасту), половинки картофеля соединить с помощью зубочисток. Генератор электричества готов. Для добывания огня следует намотать кусочек ваты на один из проводов, подождать пару минут (батарея должна зарядиться), затем следует поднести провода друг к другу до возникновения искры.