Проектная работа "Чудо, порожденное звуком"

                 «НАУКИ ЮНОШЕЙ ПИТАЮТ»

Чудо, порожденное водой и звуком

Автор:                                                        Руководитель:

Махмудова Диана                                                Мирзакеримова Гюльнара

Гаджимагомедовна                                                    Ильдархановна

11 «А» класс, МБОУ СШ №4                                Учитель физики МБОУ СШ №4

г. Дербент                                                        г. Дербент

Оглавление

Аннотация

Введение……………………………………………………………….1-2

Основная часть…………………..…………………………………….3-10

Заключение…………………………………………………………….11-12

Список используемой литературы…………………………………...13

Приложение……………...……………………………………………14

                                 Аннотация

В данной работе рассматривается способ анализа состава жидкости по известным спектрам водных растворов под влиянием частоты, интенсивности ультразвука, температуры и давления.

          Были использованы материалы из различных физических журналов, таких, как журнал "Квант", "Юный Техник", а также была использована информация из статей в интернете.

На основании моей работы можно вынести итоги и выводы:

⦁        Такой макет легко можно использовать, как материал для лаборатории.

⦁        Так же он будет полезен и в быту для проверки чистоты питьевой воды в своем доме.

⦁        Был принят оригинальный способ применения свечения сонолюминесценции.                                        Актуальность:  

            Был поставлен вопрос о создании дешевого спектрального метода анализа вещества и изучении качества питьевой воды, такой прибор подойдет тем, кто живет в бедных районах, где вода имеет риск быть загрязненной.

 Поэтому очень важно знать, что человек употребляет в питье, иначе это значительно отразится на здоровье.

          Также само явление сонолюминесценции довольно актуальная тема, как возможный альтернативный источник энергии.

                                                 Новизна:

В работе мы продвигаем разработку нового спектрального метода анализа вещества, связанного с ультразвуком и водой.

.

                                                                                                  Введение

 Сонолюминесценция - это удивительное явление, вопрос четкого принципа работы которого не могут разгадать до сих пор.

 Было выдвинуто большое количество различных гипотез и формул для попытки описать поведение этих мерцающих кавитационных пузырей под действием ультразвука.

Но, к сожалению, ни одна из них не являлась достаточно точной для полного представления явления сонолюминесценции.

Меня сильно заинтересовала эта тема и поэтому я решила изучить ее.

Кавитация, которая возникает во время возникновения сонолюминесценции, является ультразвуковой, вследствие чего  в воде образуются светящиеся пузыри.

Схлопывание кавитационных пузырей люди научились применять в химии, биологии, и в некоторых других подобных сферах.

Однако на само свечение люди пока не нашли достойного применения.

Проблема:

• неспособность быстрого определения состава воды в быту.

Задачи:

• Анализ элементов, из которых создано устройство для получения сонолюминесценции.
• Составить схему прибора.
• Сравнить его с другими популярными спектрометрами и на основе этого сделать свои выводы насчет его достоинств и недостатков в работе.                                            

Цель:

• Создать прибор для нахождения состава раствора жидкости.

Объект исследования: Принцип проведения сонолюминесценции. Спектрометр.

Предмет исследования: Совместное применение оптического спектрометра и явления сонолюминесценции для нахождения состава жидкости.                                                                                                                                                                                                                                                                                        Методы исследования:

1.Проводим анализ различных факторов, от которых зависит свечение кавитационного пузыря в колбе.

2. Поиск информации об условиях проведения сонолюминесценции и принципах проведения работы со спектрометром.

3.Изучены различные виды спектрометров, которые активно применяются в наше время во многих сферах жизни общества, таких как медицина, криминалистика, пищевая промышленность и т.п.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            Основная часть

                                                           Ключевые слова: сонолюминесценция, состав раствора, спектральный анализ, спектрометр, ультразвук, вода.

 В наше время нахождение и анализ состава жидкости довольно необходимы, особенно в таких вечно развивающихся науках, как химия и физика.

Также этот прибор имеет место в пищевой промышленности, водоснабжении, лабораториях, в экологической сфере и в странах, которые имеют проблему с качеством питьевой воды.

Определим наиболее важные элементы установки для проведения нашего эксперимента связанного со спектрами:

1. Генератор частот

Для этого необходим генератор частот. Советую выбирать генератор по причинам его точности и качества. Он формирует стабильный синусоидальный сигнал, к нему мы подключим последовательно усилитель для усиления сигнала.                                                                                                                                                                                                       1.2. Катушка индуктивности

Мы применим переменную катушку индуктивности, необходимую для создания колебаний при наличии запасенного заряда для того, чтобы при случае, когда напряжение ослабнет, катушка отдавала заряд цепи.

Для возможности контроля действия катушки, мы применим стержень, который, при необходимости, можно вводить и выводить из катушки.

1.3. Круглодонная колба

В круглодонную колбу  налит водный раствор, не содержащий воздух или же содержащий его в минимальных количествах.

Именно в ней будет протекать реакция - несильное сияние, которой мы используем для анализа вещества с помощью спектрометра.

Объём колбы обратно пропорционален свечению пузырей, так что рекомендуется использовать небольшую пробирку для проведения эксперимента, например, объёмом 100 мл.

 Круглое дно обеспечивает большую симметричность, необходимую для лучшего протекания реакции. Сферическая форма дает лучшую симметрию, чем какие-либо из её альтернатив.

1.4.Мультиметр

Мы будем применять его как измерительный прибор, определяющий различные параметры в цепи, такие, как форма сигнала, частота, ток и тому подобное.

 Подключим его рядом с  колбой для возможности узнать, какой мощностью сигнал попадает на пьезокерамические излучатели.

1.5.Пьезоизлучатель

Пьезокерамический излучатель – один из важнейших элементов в нашей схеме.

Он необходим как передатчик ультразвука в колбу.

 Лучше всего использовать пару дискообразных  пьезокерамических излучателей, зафиксированных симметрично друг к другу на пробирке по ее бокам.

Подключим их к цепи для того, что бы сигнал из генератора прошёл путь до колбы.

   1.6.Спектрометр

   Мы используем для удобства оптический спектрометр. Спектрометр  (лат. Spectrum; spectare - смотреть) прибор, применяемый для регистрации спектра, его дальнейшего распределения и анализа.

 Различные вещества при одинаковых параметрах, таких как частота ультразвука, давления, температуры и времени имеют различные спектры сияния.

Особенно всё зависит от того, какие вещества или химические элементы содержатся в растворе.        

Он также является одним из важнейших элементов в моей работе, потому что именно он распределяет спектр сияния сонолюминесценции на различные виды. Я его применяю как систему, которая изменяет необходимое мне излучение и отправляет его в датчик.

(рис 2)

2.1. Принцип работы прибора

На рис 2 представлена схема прибора:

Для начала мы подключаем напряжение к цепи, которое направляется в  генератор частот, где синусоидальный сигнал вскоре направляется к усилителю звука.

Усилитель звука увеличивает амплитуду в несколько раз. Синусоида представляющая из себя слабое напряжение ультразвуковой волны, увеличивается.

После этого она попадает в катушку индуктивности, а после в преобразователи, которые передают ультразвук колбе.

 Несмотря на то, что многопузырьковая сонолюминесценция во многом уступает однопузырьковой, мы будем применять именно первую, так как однопузырьковая  сонолюминесценция образует настолько большое давление, что спектры сильно меняются, что будет немного мешать исследованиям.

 Многопузырьковая сонолюминесценция практикует создание пузырей по всей величине раствора жидкости, а не в центре, так что давление внутри пузырей значительно меньше, чем в одном.

Отсюда делаем вывод, что спектры большого количества не будут существенно искажены.

Это позволяет удобнее работать со спектрами.

2.2. Построение устройства сонолюминесценции

На рисунке 1 изображен рисунок колбы, на которой пунктирной линией были нарисованы специальные линии для установки пары пьезоэлементов симметрично друг другу:

1.  Дано:

Формула объёма шара:    ;

AB; BC-?

Отсюда вынесем радиус, и представим его как диаметр:

                                                =0,5758823823;                    

Чтобы найти длину окружности, необходимо число   умножить на  диаметр окружности:    L ₌ dП≈1, 80918786156;

           Найдем участок AB:                          

                                    AB= = 0, 452296965389;

Так как линии кругов пересекаются под прямым углом:

                              AB ₌ BC₌ CD₌ AD₌0, 4522969653890, 45;

           Найдем AC, он больше AB в 2 раза, тогда:

                                   AC==0, 904593930778;

                                   AC=BD=0, 9045939307780, 9;

  Ответ: AB= 0, 45 дм;  AC=0,9 дм.

Теперь мы можем зафиксировать пьезоэлементы так, чтобы они были симметричны друг другу.

Нам необходимо также знать, с какой частотой нам подавать сигналы пьезоэлементам, так что найдем их:                                                                        

2) Дано:        

v₁; v₂-?

Длина волны:

d= 0, 05758823823 м;

Частота звука в воде с температурой         :                

   v₁ ₌  ₌ 24362, 6136712 Гц;

          Частота звука в воде с температурой :

            v₂ ₌  ₌ 24 779, 3654374 Гц;

Ответ: v₁=24363  Гц; v₂=24 779 Гц.

2.3.Вывод:

Таким образом, мы сможем проводить сонолюминесценцию, ибо теперь мы знаем, как правильно зафиксировать пьезоэлементы на пробирке и какие частоты нам подбирать.

Теперь, когда кавитация под ультразвуком в воде способна создаваться от сигнала генератора, и мы способны определить частоту, мы можем использовать спектрометр для дальнейшего распределения спектров.

 Отметим, что сонолюминесценция выдаёт излучение равное  от 200 мн до 800 мн.

 Если излучение будет ниже минимума: точнее меньше 200 мн  – то вода поглотит его.                                

Подносим линзу спектрометра к колбе для попадания излучения в устройство.

 Далее свет достигает датчика, отцифровываясь в виде спектра. Далее, мы сравниваем со специальной таблицей со спектрами различных веществ и находим схождение спектров веществ.

3.1.Точность измерения прибора и его простота:

Точность определения состава вещества зависит не только от свечения. Многое зависит от качества самого оптического спектрометра. Самыми важными и основными в устройстве спектрометра являются три элемента:

• Щель для впускания фотонов света, которую чаще всего накрывают линзой;
• Дифракционная решетка;
• Датчик, куда попадает свет.

Точность высокая, так как был использован спектрометр хорошего качества с высоким разрешением и большой линзой, что обеспечило больший приток фотонов в спектрометр.

В плане сборки установка не является ни простой, ни сложной.

3.2.Сравнение моего метода спектрального анализа с остальными:

По сравнению со сплошным методом, мой способен намного точнее определить состав вещества.

Когда я создам свою версию спектрометра, моя установка будет иметь преимущество над остальными спектрометрами в плане цены.

Сонолюминесцентный метод анализа водных растворов связан с методами, практикующими спектры испускания.

3.3.Преимущества и недостатки.

Я считаю важным дать оценку работы этого прибора, так мы сможем определить, приносит ли устройство пользу или же наоборот - вред

Одним из лучших решений, на мой взгляд, это оценить совместный набор спектрометра и установки для сонолюминесценции способом определения плюсов и минусов работы моего проекта для более полного раскрытия темы:

Преимущества:                                

• 1.Позволяет найти состав водного раствора, не прикасаясь к самой жидкости.

      Очень помогает в случаях, когда соприкосновение может болезненно                    или даже смертельно отразиться на здоровье человека.

• 2 .Предлагает использовать сонолюминесценцию в быту.

Можно проверить из чего состоит вода из под вашего крана или любая другая  жидкость.

• 3.Помогает развить интерес к физике у других учащихся на уроках.

Явление сонолюминесценции очень необычно и красиво, что само по себе вызывает интерес к опыту при проведениях лабораторных работ.

• 4.Неплохой экземпляр для лаборатории.
• 5.Развивает навыки построения цепей и различных электрических схем.
• 6. Небольшая цена относительно остальных спектрометров.

Недостатки:

• 1.Не самый универсальный метод.

Компьютеры способны заменить мой прибор в силу автоматизации и скорости, однако легкость создания моего прибора компенсирует этот минус.

Он почти весь создан из подручных материалов, следовательно, его можно сделать самому.

• 2. Медленный относительно своих конкурентов процесс анализирования состава жидкости.

Хотя разница равна примерно  минуте, что не является довольно большим временем относительно нас, однако между спектрометрами это значительная разница.

• 3. Необходимые вещества следует переводить в раствор.

Доставляет неудобство при работе из-за замедления процесса спектрального анализа. Я буду работать над этим.

Я планирую совместить спектральный сонолюминесцентный метод анализа с молекулярным спектральным методом.

Это будет интересный опыт, который, возможно, усовершенствует работу исследуемого прибора.

• 4. Неавтоматизованное устройство.

Усложняет работу, однако также развивает навыки обращения с механизмами и электроникой.

• 5. Большой вес и объем прибора.

Усложняет транспорт устройства, что также мешает удобному использованию.

Заключение

Несмотря на все недостатки данный прибор очень полезен как в быту так в различных лабораториях, где  применяется анализ состава водных растворов.

Я рекомендую использовать данный проект на уроках физики и химии для развития учащихся, а также в ситуациях, когда физический контакт с раствором не рекомендуется или невозможен.

 В природе сонолюминесценции полно загадок, ответы на которые люди до сих пор не могут найти.

Эта тема открыта для новых открытий, возможно, что люди смогут добиться холодного синтеза.        

            В чем заключается практический интерес в явлении сонолюминесценции? 

1. Явление-индикатор протекания звукохимических реакций в производственных процессах жидкостей.                                                                                          

2.  Метод спектрального анализа состава жидкости по известным спектрам водных растворов под влиянием частоты, интенсивности ультразвука, температуры и давления.

                         Планы на будущее

Я планирую оптимизировать данный прибор, а также сделать его намного удобнее.

Стоит уменьшить объём прибора и его массу.

Проанализировав все достоинства и недостатки проекта, я решила работать над автоматизацией и модернизацией прибора в будущем.

Также я хочу создать аналог оптического спектрометра, который будет в значительной степени дешевле, чем стандартные спектрометры, а также проще.

Таким образом я также оптимизирую мое устройство для более удобного и быстрого анализа растворов.

После завершения его сборки мне следует заняться калибровкой спектрометра ради наилучшего результата исследования.

Я планирую совместить два различных спектральных метода анализа водных растворов для более широких возможностей и лучшей эффективности устройства.

Задачи выполнены, цель достигнута.

 Список используемой литературы:                                                                                                                                                                                  1. Калитюк Н.В., Проводин В.Н.СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ./Калитюк Н.В., Проводин В.Н.-Вестник магистратуры 2020г- 5стр                                                   2. М. А. Маргулис., Сонолюминесценция./М.А. Маргулис-Акустический институт им. Н. Н. Андреева РАН 1999г-том 170, 287 стр.                                                                 3. Бабушкин А.А. Методы спектрального анализа/Бабушкин А.А.,-МГУ 1962г -508стр                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Приложение к работе:

(рис 1)