Зависимость роста семян от теплопроводности почв
опыты и эксперименты по физике (10 класс) на тему

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

Федеральное агентство по образованию

ФГОУ СПО

«Прасковейский сельскохозяйственный техникум»

Исследовательская работа

 по дисциплине: «Физика»

                                               Рассмотрено:

                                                                   на заседании цикловой комиссии

                                                                    общеобразовательных дисциплин

                                                                      Протокол №__от «__»______2009г

                                                                               Председатель_________Михайлова Н.Г.

Прасковея, 2009 год

Оглавление

Введение

Глава 1 Теоретические основы исследовательской работы

1.1.Тепловые свойства почвы

1.2. Механический состав почвы и его влияние на ее свойства

Глава 2 Исследовательская работа

2.1.Подготовка, организация и проведение исследовательской работы

2.2.Подведение итогов исследовательской работы и оформление отчета

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Введение

Среди множества путей воспитания у студентов интереса к учению одним из наиболее эффективных является организация исследовательской деятельности. Именно в исследовательской работе наиболее адекватно воплощается активизация познавательной деятельности.

Под исследовательской деятельностью понимается такая форма организации учебно-воспитательной работы, которая связана с решением студентами творческой  исследовательской задачи с заранее неизвестным результатом. Предполагается наличие основных этапов, характерных для научного исследования: постановки проблемы, ознакомления с литературой по данной проблематике, овладения методикой исследования, сбора соответствующего материала, его анализа и обобщения.

Во время проведения исследований вырабатывается стремление к самостоятельности. Исследовательская работа оказывает большое влияние на урок, она способствует творческому подходу студентов к изучаемому материалу, сочетанию теоретической основы с практической работой. В процессе исследовательской работы проявляются элементы творчества. Именно поэтому учебно-исследовательские работы несут в себе огромное количество интересной и полезной информации в доступной для слушателя форме.

Участие студентов в исследовательской деятельности углубляет и расширяет базовые знания, усиливает профориентацию, развивает исследовательские умения будущих специалистов, формирует нестандартное и творческое мышление, способствует повышению успеваемости, оптимальному сочетанию учебного труда и научного поиска, что в конечном итоге способствует росту уровня подготовки специалистов. Сведения, полученные при проведении исследований, позволяют студенту дополнять  ответы одногруппников на занятии, приводить интересные примеры или выполнять трудные опыты.

Проведение исследовательской работы по физике полезно не только студентам, но и преподавателю, так как помогает лучше узнать своих студентов, развивает его организаторские способности, заставляет быть в курсе последних достижений науки и техники, творчески работать над собой.

Глава 1 Теоретические основы исследовательской работы

1.1.  Тепловые свойства почвы.

Условия роста и развития сельскохозяйственных растений и биологические процессы, происходящие в почве, во многом зависят от ее тепловых свойств.

Основной источник тепла – лучистая энергия Солнца. Дополнительным источником служит теплота, выделяющаяся при изотермических процессах разложения органических остатков. Степень и глубина прогревания почвы зависят от ее тепловых свойств: отражательной способности, теплопроводности и удельной теплоемкости.

Отражательной способностью называется способность почвы отражать лучистую энергию Солнца. Отражательная способность зависит от окраски почвы и формы ее поверхности. Темные почвы с неровной поверхностью отражают значительно меньше лучей по сравнению со светлыми почвами, имеющими плоскую поверхность.

Удельной теплоемкостью почвы называется количество тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы или объема почвы (1 кг или 1 м3) на 1º С. Величина теплоемкости выражается в Джоулях на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)) и зависит от минералогического и механического состава, влажности почвы и содержания в ней органического вещества.

Теплопроводностью почвы называется ее способность проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла в Джоулях, которое проходит через площадь в 1 м2 за 1 с при температурном градиенте в 1 К/м. Теплопроводность зависит от механического состава, влажности почвы и содержания в ней воздуха. Она возрастает с увеличением содержания в почве крупных частиц и воды и уменьшается по мере увеличения количества воздуха. Объясняется это тем, что теплопроводность воздуха во много раз меньше теплопроводности воды. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой торф, наибольшей – песок.

Теплопроводность обусловлена переносом энергии. Процесс передачи энергии в форме теплоты подчиняется закону теплопроводности Фурье: количество теплоты Q, которое переносится за единицу времени через единицу площади, прямо пропорционально dT/dx – градиенту температуры, равному скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площади:

,

где λ – теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Очевидно, что теплота Q, прошедшая посредством теплопроводности через площадь s за время t, пропорциональна площади s, времени t и градиенту температуры dT/dx:

,

где λ = 1/3 СV ρ<υ> .

Здесь СV – удельная теплоемкость почвы при постоянном объеме, ρ – плотность почвы, <υ> - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, - средняя длина свободного пробега.

1.2. Механический состав почвы и его влияние на ее свойства

Механическим составом почвы называется относительное содержание в ней элементарных частиц различного размера. Сами частицы называются механическими элементами и по величине подразделяются на следующие основные фракции (по Н.А. Качинскому, 1957):

В зависимости от соотношения частиц выделяют почвы различного механического состава.

В основу классификации положено содержание в почве физической глины и физического песка. Физической глиной называются частицы размером меньше 0,01 мм, а физическим песком – 1,0 – 0,01 мм. В зависимости от содержания физической глины и песка выделяют песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые почвы.

Классификация почв по механическому составу

(сокращенная шкала Н.А. Качинского)

Механический состав оказывает большое влияние на агрономические свойства почвы.

Глава 2 Исследовательская работа

2.1. Подготовка, организация и проведение исследовательской работы

Прежде, чем приступить к работе необходимо составить план ее проведения

План проведения исследовательской работы

1. Ознакомление с целью проведения исследовательской работы и подготовительная работа

1.1. Определение объектов исследования.

1.2. Определение вариантов испытаний, их содержание и количество.

1.3. Определение количества наблюдений по каждому варианту.

1.4. Изучение критериев для оценки показателей роста изучаемых объектов.

1.5. Разработка формы журнала наблюдений.

1.6. Изучение учебной и дополнительной литературы по исследуемому вопросу.

1.7. Изучение методики проведения работы.

2. Определение конечной цели исследовательской работы

3. Исследовательская работа.

3.1. Выполнение наблюдений и заполнение журнала наблюдений.

3.2. Фотографирование хода и результатов исследовательской работы.

4. Обработка результатов исследовательской работы.

4.1. Обобщение фактов.

4.2. Выводы.

4.3.Определение единственно правильного решения по исследовательской работе.

Цель работы:

- определить теплопроводность различных почв и ее влияние на всхожесть семян томатов;

- развивать умения самостоятельно ставить опыты и проводить наблюдения;

- развивать умения устанавливать причинно-следственные связи, делать выводы, применять знания смежных дисциплин на практике.

Объект исследования: всхожесть и рост семян томатов сорта «Волгоградский» в почвах, разных по своему механическому составу.

Варианты испытаний: 

1) черноземная почва;

2) Черноземная почва с добавлением опилок (один к одному)

3) Черноземная почва с добавлением песка (один к одному)

4) Каштановая почва

5) Каштановая почва с добавлением опилок (один к одному)

6) Каштановая почва с добавлением песка (один к одному)

Количество наблюдений: по каждому варианту наблюдения регистрируются 1 раз в неделю, то есть выполняются записи в журнале наблюдений и фотографируется процесс подрастания семян.

Критерии для оценки показателей роста: количество всходов в сравнении с высеянными семенами; длина всходов (в мм.); внешний вид.

Форма журнала наблюдений: Для регистрации этапов исследовательской работы ведется журнал наблюдений. Структура журнала наблюдений приведена в приложении 1.

Изучение методики проведения работы.

Теплопроводность рассчитывается по формуле:  λ = 1/3 СV ρ<υ> . Здесь длина свободного пробега молекул, то есть расстояние, которое молекула пролетает между двумя последовательными столкновениями. Длины свободного пробега между отдельными столкновениями молекулы могут значительно отличаться друг от  друга. Поэтому пользуются средней длиной свободного пробега.

При нормальных условиях средняя длина свободного пробега для молекул воздуха составляет около 10-7 м, или 0,1 мкм. Подсчет показывает, что при этих условиях 0,04 % пространства, занятого воздухом, приходится на объем самих молекул. Остальные 99,96 % пространства есть свободный от молекул объем.

 - средняя арифметическая скорость молекул, которая определяется по формуле:

Здесь R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(мольК), Т – абсолютная температура по шкале Кельвина, Т = 273 + t0C, π - иррациональное число, π = 3,14, М – молярная масса воздуха, М = 0,029 кг/моль.

Плотность грунта ρ определяется по формуле ρ = m/v, где m – масса грунта (кг), v – объем грунта (м3). Плотность грунта в каждом варианте необходимо определить заранее, перед высевом семян.

Сv – удельная теплоемкость грунта при постоянном объеме. Удельной теплоемкостью почвы называется количество тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы или объема почвы на 10С. Величина теплоемкости выражается в Джоулях на килограмм-кельвин (ДЖ/(кгК) и зависит от минералогического и механического состава, влажности почвы и содержания в ней органического вещества.

Определение конечной цели исследовательской работы: определение наиболее благоприятного варианта почвы для хорошей всхожести и последующего роста семян.

Исследовательская работа.

В середине ноября 2005 года были высеяны семена томатов сорта «Волгоградский» в каждый из представленных вариантов почвы. Наблюдения вели студенты 1 курса технологического отделения группы 1ВТ Маркосов Георгий и Михайлов Валерий.

Наблюдения проводились в течение двух недель и регистрировались в журнале наблюдений в начале проведения работы 29 ноября 2005 года, затем 6 декабря, 10 декабря и последний раз 15 декабря после двухнедельного роста. Результаты наблюдений приведены в журнале наблюдений.

Первые дружные всходы появились в третьем варианте испытаний, в черноземной почве с добавлением песка. Через неделю 6 декабря  во всех вариантах испытаний наблюдались хорошие всходы, кроме 6 варианта (три всхода),  при этом отставали в росте всходы в двух вариантах: во 2 (черноземная почва с добавлением опилок) и в 6 (каштановая почва с добавлением песка). Еще через четыре дня наблюдений 10 декабря в журнале наблюдений была отмечена длина всходов в каждом варианте. В четырех первых вариантах длина всходов одинаковая (6 см), в 5 варианте (каштановая почва с добавлением опилок) длина намного выше 9 см , а в 6 варианте (каштановая почва с добавлением песка) наоборот ниже 5 см. То есть в одном случае рассада как бы «вытягивается», а в другом не дорастает. Через 5 дней 15 декабря рассада подросла еще на 2 – 3 см.

Таким образом получилось, что наименьший рост семян дают почвы во 2 и 6 вариантах. Хорошие всходы и стабильный рост семян наблюдается в 1, 3 и 4 вариантах. В 5 варианте рассада тонкая, вытянутая, лист бледный.

Черноземы отличаются от других почв благоприятными физическими и физико-механическими свойствами благодаря высокой гумусированности и оструктуренности. В результате они имеют рыхлое сложение, высокую влагоемкость и теплоемкость, хорошую водопроницаемость. Общая пористость достигает 50 – 60 % и обеспечивает наличие воды и воздуха даже в периоды максимального увлажнения почвы.

Каштановые почвы по своим свойствам близки к черноземам. В связи с уплотнением профиля ухудшаются их водно-физические свойства.

Песчаные почвы быстрее других прогреваются, поэтому наибольшее число первых всходов наблюдается в 3 варианте, легко поддаются обработке, имеют хороший воздушный режим, так как благодаря крупным порам в них энергично происходит воздухообмен.

Для расчета теплопроводности каждого варианта почвы сначала рассчитаем все величины, входящие в формулу определения теплопроводности.

Плотность грунта в каждом варианте определяем заранее перед высевом семян. Грунт необходимо поместить в полиэтиленовый пакет и взвесить.

Результаты представлены в таблице

Таблица

Следующий шаг – измерение объема грунта, для этого необходимо определить объем горшка, занятый грунтом, при этом будем считать горшок цилиндром с радиусом основания средним между верхним и нижним.

Диаметр верхнего основания горшка (Dв) – 16 см = 0,16 м;

Диаметр нижнего основания горшка (Dн) – 12 см = 0,12 м;

Высота горшка (h) – 15 см = 0,15 м.

Объем рассчитаем по формуле объема цилиндра, полагая при этом, что (Dосн) = (Dв + Dн)/2 = (0,16+0,12)/2 = 0,14 м:

Теперь определяем плотность грунта в каждом варианте испытаний по формуле, приведенной выше. Результаты представлены в таблице

Таблица

Теплопроводность – это явление переноса. В нашем случае так называемыми «переносчиками» тепловой энергии солнца являются молекулы воздуха. Определим среднюю арифметическую скорость движения молекул воздуха, считая при этом, что средняя температура воздуха в лаборатории 18ºС, то есть 273 + 18 = 291 К:

Удельная теплоемкость приведена в таблице

Таблица

Теперь рассчитываем теплопроводность почвы в каждом варианте испытаний:

1) λ = 1/3 · 1200 ·692,64 · 460,92 · 10-7 = 12,77 Дж/(м·с·К);

2) λ = 1/3 · 1800 ·432,90 · 460,92 · 10-7 = 11,97 Дж/(м·с·К);

3) λ = 1/3 · 970 ·865,80 · 460,92 · 10-7 = 12,90 Дж/(м·с·К);

4) λ = 1/3 · 1500 ·779,22 · 460,92 · 10-7 = 17,96 Дж/(м·с·К);

5) λ = 1/3 · 2000 ·606,06 · 460,92 · 10-7 = 18,62 Дж/(м·с·К);

6) λ = 1/3 · 1100 ·952,38 · 460,92 · 10-7 = 16,10 Дж/(м·с·К);

На основании полученных расчетов можно сделать выводы о проведенных наблюдениях за всходами и ростом семян томатов.

- самая высокая теплопроводность в пятом варианте почвы; наблюдения показывают, что в этой почве рассада тонкая вытянутая, что вызвано избытком тепла и недостатком питательных веществ;

- самая плохая всхожесть во втором и шестом вариантах; вероятно потому, что  черноземная почва с добавлением опилок обладает самой низкой теплопроводностью, а каштановая почва с добавлением песка обладает достаточно высокой теплопроводностью, но недостаточным количеством питательных веществ;

- первый, третий и четвертый варианты почвы обладают средней теплопроводностью, что влияет на одновременное появление дружных всходов и стабильный рост семян.

Заключение

Исследовательские работы биофизического характера вызывают большой интерес у студентов, развивают их кругозор, творческую самостоятельность, убеждают их в том, что в природе все взаимосвязано и взаимообусловлено. Кроме того знания, приобретенные на уроках физики, студенты могут применить и в практической жизни, что способствует более осознанному их усвоению.

Литература

1. Трофимова Т.А. Курс физики. Учебник для студентов вузов. – М.: Высшая школа, 1985.
2. Земледелие с почвоведением / А.М. Лыков, А.А. Коротков, Т.Г. Громакова. – М.: Агропромиздат, 1985.
3. Почвоведение с основами геологии: Учеб.пособие/А.И. Горбылева, Д.М. Андреева, В.Б. Воробьев.- Новое знание, 2002.
4. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: - М.: Наука, 1987.
5. Сборник задач по физике/ В.И. Лукашик, Е.В. Иванова – М.: Просвещение, 2003.
6. Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике – М.: Высшая школа, 1962.