Исследовательская работа "Фракталы: удивительное - рядом".
Вложение | Размер |
---|---|
fraktaly_chistovik.docx | 290.27 КБ |
МКОУ «Средняя общеобразовательная школа №2 г. Дмитриева»
Дмитриевского района Курской области
Исследовательская работа
«Фракталы:
удивительное рядом»
Подготовили: Сахарова Яна, обучающаяся 10 класса
Даева Виталина, обучающаяся 6 класса
Руководитель работы: Емельянова Ирина Васильевна,
учитель химии и биологии,
МКОУ «Средняя общеобразовательная школа №2
г. Дмитриева»
1.Введение………………………………………………………………………..3
2.Основная часть…………………………………………………………………5
2.1.История появления понятия фрактала………………………………5
2.2.Классификация фракталов……………………………………………6
2.3.Фрактальность химических соединений……………………………12
2.4.Применение фракталов………………………………………………14
3.Практическая часть……………………………………………………………15
4.Заключение…………………………………………………………………….20
5.Список использованной литературы…………………………………………21
Приложение
Все, конечно же, обращали внимание на то, что часто в природе наблюдается бесконечное повторение одного и того же узора, увеличенного или уменьшенного во сколько угодно раз. Например, у дерева есть ветви. На этих ветвях есть ветки поменьше и т.д. Теоретически, элемент ''разветвление'' повторяется бесконечно много раз, становясь все меньше и меньше. То же самое можно заметить, разглядывая фотографию горного рельефа.
Каждый день мы видим всевозможные узоры и понимаем, что кто-то приложил немало усилий, чтобы их придумать. А что можно сказать об узорах, которые мы встречаем в природе? Что открывают они? Возьмем, к примеру, снежинки. Эти кристаллики образуются, когда водяной пар превращается в лед. По мере роста кристалликов возникают изящные ажурные узоры. Рассмотрим отдельную снежинку. Ее лучи разветвляются все снова, и снова, образуя лучики меньших размеров.
Что же такое фрактал? Фрактал - это геометрическая фигура, в которой один и тот же фрагмент повторяется при каждом уменьшении масштаба.
Горы, облака, кора дерева, морской прибой - все это выходит за рамки привычной евклидовой геометрии. Мы не можем описать камень или границы острова с помощью прямых, кружков и треугольников. И здесь нам приходят на помощь фракталы. Что же это за знакомые незнакомцы?
Что общего у дерева, берега моря, облака или кровеносных сосудов у нас в руке? Существует одно свойство структуры, присущее всем перечисленным предметам: они самоподобны. От ветки, как и от ствола дерева, отходят отростки поменьше, от них — еще меньшие, и т. д., то есть ветка подобна всему дереву. Похожим образом устроена и кровеносная система: от артерий отходят артериолы, а от них — мельчайшие капилляры, по которым кислород поступает в органы и ткани. Посмотрим на космические снимки морского побережья: мы увидим заливы и полуострова; взглянем на него же, но с высоты птичьего полета: нам будут видны бухты и мысы – все это фракталы. [2]
Актуальность исследования.
Вы можете обнаружить их в лесу, столкнуться с ними на передовых рубежах медицинской науки, увидеть их в кино. Вы найдете их везде, где есть беспроводная связь. Раскрыт, наконец, секрет нашего главного дизайнера – природы. Мы наблюдаем их в природе, физике, химии, биологии, медицине, экономике, графическом дизайне. В школе на уроках и внеурочных занятиях по химии, математике, биологии мы можем создавать фракталы, демонстрируя красоту окружающего мира и занимательность опытов. Фрактальная геометрия, поможет опровергнуть взгляд на математику как на сухую и недоступную дисциплину и станет дополнительным стимулом для учащихся в освоении этой интересной и увлекательной науки.
Гипотеза: открытие фракталов в окружающей нас действительности предполагает «устройство» мира по удивительно гармоничным законам с математической точностью. Обладают ли фрактальными свойствами дендриты солей, как продукт кристаллизации из растворов? Возможно ли изучение этого явления в средней школе на уроках химии, математики, биологии не только теоретически, но и практически?
Цель работы: провести анализ существующих источников информации; выявить принцип самоподобия в дендритных кристаллах солей различных металлов, выращенных в условиях школьной химической лаборатории. Объект исследования: условия необходимые для протекания реакций образования минеральных дендритов в школьной химической лаборатории.
Предмет исследования: форма и строение фракталов в природе.
Задачи:
1. Изучить и проанализировать различные источники информации.
2. Выдвинуть гипотезу о возможности получения в условиях школьной химической лаборатории примеров фрактальных структур.
3. Исследовать форму и строение фракталов, используя виртуальную лабораторию.
4. Увидеть единство в строении человека, растительного мира и неживой природы с точки зрения фрактальной геометрии.
Методы исследования:
Этапы исследования.
2.Основная часть
2.1. История появления понятия фрактала.
Понятия фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов. Вплоть до 20 века шло накопление данных о таких странных объектах, без какой-либо попытки их систематизировать. Так было, пока за них не взялся Бенуа Мандельброт - отец современной фрактальной геометрии и слова фрактал. Работая в IBM математическим аналитиком, он изучал шумы в электронных схемах, которые невозможно было описать с помощью статистики. Постепенно сопоставив факты, он пришел к открытию нового направления в математике - фрактальной геометрии. "Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в том, что она неспособна достаточно точно описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака – это не сферы, линии берега – это не окружности, и кора не является гладкой, а молния не распространяется по прямой. Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно. Существование этих структур бросает нам вызов в виде… трудной задачи изучения». [1]
«Я не играю с формулами, я играю с картинками и занимаюсь ими всю мою жизнь». Это был вызов устоявшимся вековым мнениям, какие формы есть в природе. Глаза внезапно открылись и люди увидели формы, которые были всегда вокруг, но раньше никто не замечал.
Мандельброт ответил своим критикам новой книгой «Фрактальная геометрия природы». Она была наполнена идеями того, как они могут принести пользу науке. Мандельброт утверждал, что с помощью фракталов он может измерить многие природные объекты и что его вычисления могут применяться для описания огромного количества объектов и явлений: от изменения русла рек до движения облаков. Так что рост живых систем, который многие математики считали неподдающимися математическому и тем более геометрическому описанию оказался здесь в центре внимания. Именно книга Бенуа Мандельброта убеждает, что это не просто искусство. Это новая наука в процессе своего становления, это совершенно новый взгляд на мир, в котором мы живем, позволяющий нам не только смотреть на этот мир, не только измерять его, но и описывать его математически, а значит, и понимать на более высоком уровне, чем это было раньше.[3]
Когда вы осознаете, что хитроумный инженер может использовать фракталы в самых разных устройствах, вы начинаете лучше понимать и то, что природа, которая хитрее любого инженера, тоже широко их использует.
2.3.Классификация фракталов.
Фракталы делятся на группы. Самые большие группы это: геометрические фракталы, алгебраические фракталы, системы итерируемых функций, стохастические фракталы.
Геометрические фракталы. Именно с них началась история фракталов. Это и есть те функции-монстры, которых так называли за не дифференцируемость в каждой точке. Геометрические фракталы являются также самыми наглядными, т. к. сразу очевидна самоподобность. Вообще все геометрические фракталы обладают самоподобностью, не изменяющейся при изменении масштаба. Для построения геометрических фракталов характерно задание "основы" и "фрагмента", повторяющегося при каждом уменьшении масштаба. Поэтому эти фракталы иногда называют конструктивными или автомодельными.
Вторая большая группа фракталов - алгебраические. Свое название они получили, за то, что их строят, используя простые алгебраические формулы. Получают их с помощью нелинейных процессов в n-мерных пространствах. Известно, что нелинейные динамические системы обладают несколькими устойчивыми состояниями. Состояние, в котором окажется динамическая система после некоторого числа итераций, зависит от начальных условий. Поэтому каждое устойчивое состояние (атрактор) обладает некоторой областью начальных состояний, при которых система обязательно перейдет в рассматриваемые конечные состояния. Таким образом, фазовое пространство разбивается на области притяжения аттракторов.
Самыми известными из них являются множества Мандельброта и Жюлиа, Бассейны Ньютона и т.д.
2.6.Фрактальность химических соединений.
До появления термина «фракталы» в минералогии, а потом и в химии употребляли термин «дендрит» и «дендритные формы». Дендрит представляет собой ветвящееся и расходящееся в стороны образование, возникающее при ускоренной или стеснённой кристаллизации в неравновесных условиях, когда кристалл расщепляется по определённым законам. Они ветвятся и разрастаются в разные стороны, подобно дереву. Процесс образования дендрита принято называть дендритным ростом. В процессе дендритного развития объекта кристаллографическая закономерность изначального кристалла утрачивается по мере его роста. Дендриты могут быть трёхмерными объёмными (в открытых пустотах) или плоскими двумерными (если растут в тонких трещинах горных пород). В качестве примера дендритов можно привести ледяные узоры на оконном стекле, снежинки и живописные окислы марганца, имеющие вид деревьев в пейзажных халцедонах и в тонких трещинах розового родонита. В зонах окисления рудных месторождений самородная медь, серебро и золото имеют ветвистые дендритные формы, а самородный висмут и ряд сульфидов образуют решётчатые дендриты. Для барита, малахита и многих других минералов, например, характерны «пещерные цветы» арагонита и кальцита, в карстовых пещерах известны почковидные или кораллообразные дендриты. Дендриты как специфический продукт кристаллизации из растворов, несомненно, обладают фрактальными свойствами, хотя этими свойствами обладают фактически любые сложные продукты природы и человеческой деятельности.
В химии есть много занимательных опытов получения дендритов металлов и их солей. Наиболее известны «дерево Сатурна», «дерево Юпитера» и «дерево Дорфмана».
• «Сатурново дерево» называют иногда деревом Парацельса – врача-алхимика, основателя фармацевтической химии. Готовя одно из своих лекарств растворением в уксусной кислоте металлического свинца, он задумал добавить еще и ртуть, а потому внес в сосуд кусочки цинка (в те времена многие химические элементы, в том числе очень распространенные металлы, еще не были по-настоящему идентифицированы и считалось, что цинк содержит много ртути, от этого он такой легкоплавкий). Не имея времени продолжить опыт, Парацельс оставил сосуд на несколько дней, и как же сильно он был поражен, увидев на кусочках цинка блестящие веточки неизвестной природы! Ученый счел, что ртуть, затвердев, вышла из кусочков цинка. Позже красивое «дерево» получило название «сатурново» по алхимическому названию свинца. Чтобы вырастить «сатурново дерево», нужно налить в высокий стакан или стеклянный цилиндр водный раствор 25 – 30 г ацетата свинца в 100 мл воды и погрузить в него очищенную тонкой наждачной бумагой пластину или стержень из цинка. Можно вместо этого подвесить на нитке несколько кусочков цинка, тоже очищенных наждачной бумагой. С течением времени на цинковой поверхности вырастают ветвистые и блестящие сросшиеся между собой кристаллы свинца. Их появление вызвано реакцией восстановления свинца из соли более активным в химическом отношении металлом.
Zn + Pb(CH3COO)2 = Pb + Zn(CH3COO)2 .
• Парацельсу приписывают и получение кристаллов олова на кусочках цинка – «дерева Юпитера». Чтобы вырастить такое «дерево», в высокий стеклянный сосуд наливают водный раствор 30 – 40 г хлорида олова SnCl2 в 100 мл воды и погружают цинковую пластинку.
Zn + SnCl2 = Sn+ ZnCl2.
• Серебряное «деревце Дорфмана» получается, если в стеклянный стакан с каплей ртути на дне налить 10%-й водный раствор нитрата серебра AgNO3. Сначала ртуть покрывается серой пленкой амальгамы серебра (сплава ртути с серебром), а через 5 – 10 секунд на ней быстро начинают расти блестящие игольчатые кристаллы серебра. Спустя несколько минут иглы начинают ветвиться, а через час в сосуде вырастает сверкающее серебряное деревце. Здесь очень важно точно соблюсти рекомендованную концентрацию нитрата серебра: при более низком содержании AgNO3 роста кристаллов металлического серебра не наблюдается, а при более высоком - кристаллизация серебра идет без образования ветвистых кристаллов.
Hg + 2AgNO3= 2Ag + Hg(NO3)2
Так как в нашей школьной лаборатории имеется ограниченное количество реактивов, для получения фрактальных кристаллов мы использовали другие способы, которые представлены в практической части работы.
2.7.Применение фракталов.
В наши дни теория фракталов находит широкое применение в различных областях человеческой деятельности. Помимо фрактальной живописи фракталы используются в теории информации для сжатия графических данных (здесь в основном применяется свойство самоподобия фракталов — ведь чтобы запомнить небольшой фрагмент рисунка и преобразования, с помощью которых можно получить остальные части, требуется гораздо меньше памяти, чем для хранения всего файла). Добавляя в формулы, задающие фрактал, случайные возмущения, можно получить стохастические фракталы, которые весьма правдоподобно передают некоторые реальные объекты — элементы рельефа, поверхность водоемов, некоторые растения, что с успехом применяется в физике, географии и компьютерной графике для достижения большего сходства моделируемых предметов с реальными.
В радиоэлектронике в последнее десятилетие начали выпускать антенны, имеющие фрактальную форму. Занимая мало места, они обеспечивают вполне качественный прием сигнала. А экономисты используют фракталы для описания кривых колебания курсов валют (это свойство было открыто Мандельбротом более 30 лет назад).
Фракталы находят все большее и большее применение в науке. Основная причина этого заключается в том, что они описывают реальный мир иногда даже лучше, чем традиционная физика или математика. Вот несколько примеров:
1.Наиболее полезным использованием фракталов в компьютерной науке является фрактальное сжатие данных. При фрактальном сжатии, после увеличения, картинка часто выглядит даже лучше, чем до него.
2. Изучение турбулентности в потоках очень хорошо подстраивается под фракталы. Здесь помогает переход к фрактальному представлению, что сильно облегчает работу инженерам и физикам, позволяя им лучше понять динамику сложных потоков.
3.При помощи фракталов можно смоделировать языки пламени.
4. Пористые материалы хорошо представляются во фрактальной форме.
5. Для передачи данных на расстояния используются антенны, имеющие фрактальные формы, что сильно уменьшает их размеры и вес.
6.Фракталы используются для описания кривизны поверхностей. Неровная поверхность характеризуется комбинацией из двух разных фракталов.
7. Биения сердца носит фрактальный характер.
8. Моделирование хаотических процессов, в частности при описании моделей популяций.
9. Онтогенез – то есть, жизнь человека и существование человечества вообще – это тоже фрактал?
3. Практическая часть.
От ствола исходят ветки,
На ветвях растут листы.
Нано-дерево в пробирке
Можешь получить и ты!
Практическая работа №1 .
Тема: «Выделение кристаллов из растворов солей и изучение их фрактальных свойств».
Цель: получить кристаллы дендритных форм и доказать их фрактальное строение.
Оборудование: стеклянные цилиндры, пробирки, колбы, стаканы, ложки для набора веществ, палочки для перемешивания, спиртовка, лабораторный штатив, чашка для выпаривания, штатив для пробирок. Весы с разновесами.
Реактивы: вода, соли меди, никеля, железа, марганца, хрома, алюминия.
Ход работы.
Опыт №1. Минералогический «сад».
Без семян за один день можно вырастить причудливые «растения», напоминающие сказочное подводное царство. По своей красоте они могут соперничать с настоящими. А выращивают эти «растения» так. Небольшое количество жидкого стекла разбавляют водой и выливают полученный раствор в какой-нибудь чистый прозрачный сосуд. «Питательная среда» готова. В сосуд поместили небольшие кусочки растворимых в воде солей металлов – меди, никеля, железа, хрома, кобальта, марганца. Можно взять медный и железный купорос, железные квасцы, хлористый кальций. Сосуд закрывают, чтобы в него не попала пыль. В течение нескольких часов из кристалликов солей вырастают сказочные «растения», окрашенные в разные цвета. Растворимые соли переходят в силикаты, большая часть которых нерастворима. Цвет водорослей зависит от металла. Соли меди дают голубые водоросли, железа (III) – коричневые, алюминия – белые, марганца – бежевые. [5]
CuSO4 + Na2SiO3 = Na2SO4 + CuSiO3↓
2FeCl3 + 3Na2SiO3 = Fe2(SiO3)3↓ + 6NaCl
MnCl2 + Na2SiO3 = MnSiO3↓ + 2NaCl
2AlCl3 + 3Na2SiO3 = Al(SiO3)3↓ + 6NaCl
NiSO4 +Na2SiO3=NiSiO3↓ +2Na2SO4
Опыт №2. «Медные дендриты»
Чтобы получить медные дендриты мы сделали следующее. Медный купорос поместили в стеклянную емкость и засыпали толстым слоем поваренной соли, положили на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху – железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос медленно растворялся в рассоле (растворимость в нем меньше, чем в чистой воде). Ионы меди зеленого цвета очень медленно, в течение многих дней, диффундирует вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы.
Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди, образуют разветвления – дендриты.
Данный эксперимент проходил в течение недели, получился достаточно эффектным и мы решили оставить его еще на некоторое время. Емкость прикрыли фильтровальной бумагой и оставили в покое еще на несколько дней. Впоследствии обнаружили, что на стенках сосуда появились кристаллы дендритной формы, напоминающие реальное дерево. Возник вопрос: кристаллы какой соли выстроились таким интересным образом? Предположили, что это могут быть соли Fe3+. Небольшое количество кристаллов поместили в пробирку и провели качественную реакцию, используя для этой цели щелочь. Результат оказался положительным, получили бурый осадок.
Опыт №3. «Зимний сад».
В любое время года при желании можно устроить «зимний пейзаж». Среди органических веществ есть такие, которые при нагревании не плавятся, а сразу переходят в парообразное состояние. Этот процесс называют возгонкой. При охлаждении таких веществ происходит обратное явление – кристаллизация. К числу возгоняющихся веществ относится бензойная кислота. Берем небольшое количество бензойной кислоты, помещаем ее в фарфоровую чашку и накрываем ее стеклянным стаканом, в котором укреплена хвойная веточка. Бензойную кислоту нагрели до 120°С. Она расплавилась, а затем при 25°С начинает возгоняться. Пары ее, охлаждаясь, осядут на ветках. При этом образуются красивые кристаллики, напоминающие иней.
Опыт №4. «Удивительный раствор».
При нагревании готовят пересыщенный раствор серноватистокислого натрия Na2S2O3·5H2O (гипосульфита). К кончику стеклянной палочки прикрепляют кусочек пластилина и приклеивают к нему маленький кристаллик гипосульфита. Погружают кристаллик в раствор и наблюдают моментальное обрастание кристаллика друзой кристаллов, которые осыпаются, словно снег в метель.
Опыт №5. «Коралловый риф».
Если кристаллы хлорида натрия растут при испарении раствора с поверхности пористой керамики, то они часто приобретают форму волокон. В случае испарения раствора соли с поверхности бумаги удалось получить сростки кристаллов в форме веточек – дендритов. Провести такой эксперимент очень просто. Надо кусочек фильтровальной бумаги в цилиндр диаметром 2-3 см и высотой 15-25 см и поставить цилиндр вертикально в чашку Петри и закрепить его сверху. В чашку почти доверху насыпать хлорид натрия, добавляя немного желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6] (четверть чайной ложки), далее перемешать и долить воды – чтобы она хорошо смочила соль и раствор начал подниматься вверх по фильтровальной бумаге. С поверхности бумаги раствор будет постепенно испаряться, а на его месте из чашки будут подниматься свежие порции (за счет капиллярного эффекта). По мере испарения раствора нужно добавлять в чашку воду и подсыпать соль. Постепенно на поверхности бумаги начнут расти кристаллы соли, которые через несколько дней примут форму веточек. Сам бумажный цилиндрик станет похож на белый коралл. Добавка желтой кровяной соли благоприятствует формированию волокнистых кристаллов хлорида натрия. Без нее поваренная соль просто образует корку на поверхности бумаги. [6]
Вывод: дендритные кристаллы получить удалось и хорошо заметно, что они самоподобны, следовательно, действительно имеют выраженную фрактальную структуру.
Заключение
Итак, в обычной школьной лаборатории и даже в домашних условиях можно выделить минеральные дендриты и доказать их самоподобие, наблюдать фрактальные формы в привычных предметах – деревьях, цветах, плодах. Выращивание минеральных фракталов довольно интересное занятие. Смотришь, вроде нет ничего, и вот спустя несколько минут появляются иглы, затем начинают ветвиться, а через некоторое время в сосуде вырастают причудливые «деревца». Вот уж действительно, очевидное – невероятное!
Виртуальная лаборатория - весьма гибкий инструмент, позволяющий реализовать многие фантазии. Удивительные геометрические объекты – фракталы можно быстро построить, применяя изготовление простой конструкции, которая формирует все меньшие и меньшие детали фигуры. Фрактальная геометрия предлагает хорошую возможность популяризации математических знаний. Мы думаем, что фрактальная геометрия, фракталы в химии и биологии станут дополнительным стимулом для учащихся в освоении этих интересных и увлекательных наук. Ведь математика, химия, биология и физика тесно связаны друг с другом, как и все на нашей планете и во Вселенной.
Материалы могут быть использованы учащимися среднего и старшего звена во внеурочной деятельности, а так же педагогами школ и родителями.
Использованная литература:
1.Вишик М.И. Фрактальная размерность множеств. // Соросовский образовательный журнал, № 1, 1998.
2. Галиулин Р. От мавританских орнаментов к фракталам. // Наука и жизнь,№ 8, 1995.
3. Дмитриев А. Хаос, фракталы и информация. // Наука и жизнь, № 5, 2001.
4. Долбилин Н. Самоподобные мозаики. // Квант, № 2, 1998.
5.Шкурко М.И. Занимательные опыты по химии. Минск. 1968.
6.Шевчук В.Г. Занимательные опыты по химии. Ярославль. 1960.
Список использованных сайтов:
1.http://lib.mexmat.ru/books/419/s2
2.http://ru.wikipedia.org/wiki/Фрактал
3.http://3dfractal.ru/stati-o-fraktalah/31.html
Приложение.
Практическая работа №1. «Выделение кристаллов из растворов солей и изучение их фрактальных свойств».
Опыт 1. Минералогический «сад», «аквариум».
Кристаллизация растворов
Минералогический «аквариум».
Опыт 2. «Дендриты» меди.
Изменения, произошедшие через 7 дней.
Хорошо заметны игольчато-ветвистые кристаллы меди и правильной формы «кубики» поваренной соли.
На стенке стеклянного стакана «выросло» замечательное кристаллическое «дерево».
Опыт №3 «Зимний сад».
Возгонка бензойной кислоты
Опыт №4 «Удивительный раствор».
Кристаллы гипосульфита натрия
Опыт 5. «Коралловый риф».
Готовим смесь поваренной и желтой кровяной солей.
Из фильтровальной бумаги изготавливаю трубку.
Бумажную трубку помещаю в смесь солей.
Смачиваю соли водой и закрываю бумажную трубку стеклянным цилиндром. Оставляю на время.
Через 5 дней. Полученные кристаллы действительно напоминают коралловый риф.
Пчёлки на разведках
Сказка "12 месяцев". История и современность
Сказка "Колосок"
Чем пахнут ремёсла? Джанни Родари
Рисуем крокусы акварелью