Опыты и игры со льдом для детей. Часть 1.

Открывается еще одна страничка “Волшебной книги“, которую мы читаем вместе с семьей Варежкиных из проекта “Вперед в Новый год!“. И на этой страничке я собрала для вас самые простые и интересные эксперименты и опыты со льдом. Ведь сейчас зима – самое время заняться изучением свойств льда!
Итак, сегодня мы с вами узнаем ответы на вопросы: 

– как получить мороз -30 градусов без холодильника?

А для этого мы будем одевать лед в шубу, делать ледяные кораблики,  устраивать ледяную рыбалку, примораживать кружку к подставке, а может быть даже сделаем мороженое или домашний творожок.

Кусочки льда, шуба (или другая теплая одежда), фольга, полиэтиленовый пакет, бумага, ткань.

Спросите малыша, если льдинку положить в шубу, она растает быстрее? А вовсе нет! Попробуйте, и убедитесь сами: возьмите два кусочка льда, положите их в пластиковые пакеты (чтобы тающая вода не замочила шубу). Один из них заверните в шубу, другой оставьте лежать на открытом воздухе (это будет контрольный экземпляр). И наблюдайте, что с ними происходит. Когда лед на открытом воздухе уже заметно подтает, разверните шубу – вы увидите, что льдинка в ней тает гораздо медленнее. У нас льдинка на воздухе растаяла полностью  за полчаса, а льдинка, “одетая в шубу”, сохранялась в течении 3 часов!

Если малыша заинтересовал этот опыт, предложите ему устроить соревнование между льдинками: заверните их в разные материалы (полиэтилен, газету, фольгу, ткань) и проверьте – в каких лед тает быстрее, а в каких медленнее. Сделайте выводы о теплопроводности этих материалов (см. теорию, данную ниже).

Существует такое физическое понятие как теплопроводность. Все предметы в мире обмениваются своим теплом друг с другом и с окружающей средой. И все на свете стремится оказаться в температурном равновесии, сравнять свою температуру с соседями. Чтобы не было вокруг ни теплого, ни холодного, а все стало одинаковым. Если поставить чашку с горячим чаем, и подождать некоторое время, то температура чая вскоре сравняется с температурой окружающего воздуха. Чай остынет, но в это же самое время воздух в кухне чуть-чуть нагреется.  А если поставить чашку с холодным молоком, то молоко нагреется – тепло от воздуха передастся ему. Молоко потеплеет, а воздух в кухне чуть-чуть остынет. И их температура сравняется.
Если же мы что-то хотим сохранить холодным (или горячим), то нам надо как-то защитить его от окружающей среды – чтобы не дать им обмениваться теплотой. Есть материалы, которые хорошо защищают от тепла (имеют низкую теплопроводность), есть те, которые хорошо проводят тепло (имеют высокую теплопроводность). Например, фольга имеет высокую теплопроводность. Это значит, что когда мы в нее завернули кусочек льда, то тепло от воздуха в комнате сразу же нагрело фольгу, а от нее нагрелся и сам кусочек льда. А у шубы (и других пушистых материалов) низкая теплопроводность. Воздух снаружи с трудом передает свое тепло через нее воздуху внутри. Поэтому и лед внутри нагревается медленнее.
То есть шуба не греет сама по себе. Она сохраняет ту температуру, которая внутри нее. Если теплый человек наденет шубу, то она сохранит его тепло, и он не замерзнет даже на морозе. А если холодный снеговик наденет шубу, то она сохранит его холод и он не растает даже в теплом помещении. 

Полупрозрачная трубочка (можно взять коктейльную или упаковку от конфет, как сделали мы), кусочек пластилина, маркер или фломастер.

Залепите один конец трубки пластилином, налейте в нее до середины воды и залепите пластилином второй конец. Маркером отметьте то место, до которого доходит вода. Установите трубочку вертикально в морозилке и подождите, пока она полностью не замерзнет. Достаньте трубку со льдом. Видите, насколько увеличился его уровень по сравнению с первоначальным уровнем жидкости? Значит при замерзании вода расширяется.

Если ребенок уже умеет делать измерения и считать, замерьте с ним, на сколько именно увеличился столбик льда и рассчитайте, какая это часть (теоретически, вода в замороженном виде занимает на 1/9 больше места, чем в жидком). У нас так и получилось – столбик воды был 9 см, а столбик льда 10 см.

И лед, и вода – это одно и то же вещество, просто оно находится в разных состояниях. Вода – это жидкое состояние, лед – твердое. (Спросите малыша, в каком еще состоянии может быть вода? Правильно, в виде пара. То есть газообразном). Каждая молекула этого вещества состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так это остается и в жидком состоянии и в твердом. Меняется только порядок молекул. В воде молекулы расположены хаотично. Они двигаются относительно друг друга (поэтому вода не имеет своей формы). А вот когда вода замерзает, молекулы выстраиваются в определенном порядке. Теперь они уже не движутся и сохраняют строй. Поэтому лед твердый. А так как в строю молекулы воды сохраняют между собой определенную дистанцию (она определяется строением и ориентацией самих молекул), то и получается, что лед занимает больше места, чем вода, в которой молекулы могли стоять как им вздумается.

А вот другие вещества при охлаждении обычно свой объем уменьшают. На этом, например, построена работа термометра: в тепле жидкость в нем (спирт или ртуть) расширяется, и столбик поднимается, а в холоде сжимается, и столбик опускается. А вот чугун, как и лед, расширяется при охлаждении. Поэтому его успешно используют для литья  – расширяясь при остывании он заполняет собой даже самые мелкие полости формы.

Кусочек  свежего овоща или ягода (лучше всего, если он будет сочным: подойдет огурец, арбуз, помидор, клубника, малина) и формочки для льда.

Наверное, малыш не раз слышал, что размороженный продукт из холодильника уже нельзя замораживать повторно. Его надо обязательно съесть. Да и вид у размороженных фруктов и ягод совсем не такой, как у свежих. Давайте с вами посмотрим, что происходит с продуктами во время заморозки.

Для этого положим кусочек продукта в формочку для льда, зальем водой и поставим в морозилку. Через некоторое время вода замерзнет, и у нас получится красивый кусочек льда с вмороженным в него продуктом. (Таким образом мы еще летом наморозили цветные кубики): На первый взгляд продукт такой же, какой был в свежем виде. Но если дать льду растаять, то мы увидим, что он портится прямо на глазах – становится вялым и дряблым. На свежий продукт он уже совсем не похож.

Из предыдущего опыта мы знаем, что вода при замерзании расширяется. Это происходит не только с окружающей продукт водой, но и с той, которая находится внутри него – с жидкостью, заключенной в его клетках. (а, например, огурец на 90% состоит из воды). Замерзая, лед уже не помещается в клетках и разрывает межклеточные перегородки. Поэтому, когда лед растает и вся вода из продукта вытечет, получается, что его внутренний каркас сломан. Клеточки “сдуваются” как лопнувший шарик, из которого вышел весь воздух.

Поэтому если мы заморозим продукт повторно, то он уже никогда не станет таким как прежде – его внутренняя структура повреждена.

Пластиковые стаканчики из под йогурта, кусочек пластилина, трубочка от сока, цветная бумага, большая емкость для воды, человечек-лего

Давайте узнаем, может ли лед плавать. Для этого сделаем ледяной кораблик. На трубочку наденем бумажный флажок и воткнем ее в кусочек пластилина, закрепленный на дне пластикового стаканчика. Нальем в стаканчик воду и поставим его в морозилку. Когда вода замерзнет, вытащим лед из стаканчика – у нас получится ледяной кораблик с мачтой и флагом.

Опустите его в емкость с водой – он будет плавать!

Лед не тонет в воде. И не только из-за того, что при заморозке в нем обычно остаются пузырьки воздуха и микротрещинки. Большее значение имеет то, что молекулы воды при замерзании устанавливаются в определенном порядке, обусловленном строением и ориентацией молекул. Из-за этого у льда получается плотность меньше, чем у воды, которая не замерзла. Поэтому лед легче воды и плавает на ее поверхности.

Кубики льда, соль

Спросите малыша, знает ли он, что иногда для того, чтобы расчистить лед на дорогах, дворники посыпают его солью? Почему они это делают? Давайте посмотрим, что при этом происходит.

Возьмите два кубика льда, положите на блюдце. Один посыпьте солью, а другой оставьте как есть (это будет контрольный экземпляр). Понаблюдайте, что будет происходить с льдинками. Кусочек льда, посыпанный солью, начнет таять гораздо раньше, чем простой лед. Если к нему приглядеться, то можно увидеть, что соль как бы “проедает” в нем дырочки и червячные ходы.

Температура замерзания воды 0 градусов Цельсия. А температура замерзания солевого раствора ниже нее на несколько градусов (конкретный показатель зависит от концентрации соли в растворе: например, солевой раствор 10% замерзает при температуре -6 градусов, а 20% при -16). Поэтому когда мы посыпаем лед солью, на подтаявшей поверхности льдинки мы получаем солевой раствор. А у него точка замерзания ниже, чем у чистой воды – поэтому и лед, посыпанный солью, начинает плавиться.

Пластиковые стаканчики и различные жидкости: вода, молоко, растительное масло и т.д.

В предыдущем опыте мы узнали, что не все жидкости замерзают при 0 градусов Цельсия, как это делает вода. Предложите малышу попробовать заморозить в морозилке разные жидкости и посмотреть, что будет с ними происходить.

Мы налили в стаканчики воду, молоко и масло. Поставили их в морозилку (с температурой -15°C ) на ночь. А утром проверили, что с ними произошло. 

Оказалось, что вода и молоко замерзли, а масло так и осталось жидким, только помутнело. Сюрприз ждал нас и когда молоко стало таять – оно свернулось. В молоке вода отделилась от жира и мы получили нечто, похожее на творог.

Кстати, есть такой рецепт для изготовления домашнего творога без кипячения. Кефир с большим процентом жирности прямо в пакете кладут в морозилку и дожидаются полного замерзания. А потом его достают, содержимое выкладывают на покрытый марлей дуршлаг и оставляют таять в помещении. Когда вся вода стечет, в дуршлаге останется прекрасный творожок. Можете попробовать  – получается очень вкусно!

Разные жидкости имеют разную температуру замерзания (температуру, при котором меняется состояние вещества и оно переходит из жидкого в твердое). Например, морская вода замерзает при температуре -1-2°С. 40% раствор спирта (а по-простому, водка) замерзает при -28°С, а чистый этиловый спирт при -117°С!  Бензин замерзнет при температуре от -118°С до -151°С. Молоко замерзает при температуре всего на полградуса меньше воды. А растительное масло от -16°C  до -19°C.

Кусочек льда и нитка.

Скажите малышу, что будете с ним играть в ледяную рыбалку. Да, да, в ледяную, а не подледную ? Дайте ему в руки ниточку (ее лучше предварительно смочить водой) и объясните, что его задача поймать лед на эту удочку без помощи рук и других приспособлений. 

Достаньте кубик льда из холодильника. Как можно скорее, пока лед совершенно сухой и не стал подтаивать, прикоснитесь к нему ниткой и подержите ее на льдинке полминутки – она примерзнет, и льдинку можно будет вытащить за нитку, как рыбку из воды.

Точно так же можно “ловить” один кусочек льда на другой. Надо только прижать их к друг другу на полминуты – и они примерзнут друг к другу. Предложите малышу построить вот такую вот пирамиду из кубиков льда.

Происходит это потому, что лед очень холодный. На его поверхности температура ниже 0 градусов. И вода на мокрой нитке от соприкосновения со льдом тоже замерзает, “приклеиваясь” к кусочку льда. Но делать это надо быстро: пока лед сухой. Как только он чуть подтает, он покроется тоненькой пленкой воды, температура которой уже недостаточна для того, чтобы нитка примерзала. 

Два стакана чая, кубики льда, два блюдца.

Катя очень не любит пить горячий чай и всегда подолгу ждет, пока он остынет. Мы решили найти способ ускорить этот процесс и опытным путем подобрать самый лучший вариант остужать горячий чай: прикладывая холод сверху или снизу.

Для этого надо налить кипяток в две одинаковые чашки (будьте осторожны, следите за ребенком!). Одну поставим прямо на формочку со льдом и закроем ее пустым блюдцем (для того, чтобы уравнять шансы со второй кружкой и исключить испарение). Вторую поставим просто на стол, накроем блюдцем, а на него положим кубики льда (столько же, сколько под первой чашкой).

Минут через 15 лед на блюдце растает. И можно будет проверять температуру воды в чашках. Оказывается, что чашка, где охлаждение происходило сверху, остыла сильнее, чем та, где охлаждалась снизу.

Этот факт объясняется конвекцией. Дело в том, что теплые газы и жидкости поднимаются наверх, а холодные опускаются вниз. Поэтому если жидкость охлаждать снизу, то ее нижняя часть остынет, но так и останется внизу. Перемешиваться она почти не будет, верхняя жидкость не сможет соприкоснуться с холодным дном и останется горячей. А если жидкость охлаждать сверху, то уже остывшая часть сверху будет опускаться вниз, а наверх поднимется теплая часть, которая, в свою очередь, начнет остывать. Вода в  чашке будет циркулировать быстрее и быстрее охлаждаться.

Железная кружка, кубики льда, соль, полиэтиленовый пакет, молоток, деревянная доска или табуретка (впрочем, можно использовать любую подставку: тарелку, металлический поднос, пластиковую миску, только эффект будет длится не так долго).

Даже совсем малыши знают, что дома замораживать что-то можно только в холодильнике. Как только его оттуда достанешь, оно может только нагреваться. Но мы решили попробовать получить мороз без холодильника.

Для этого надо положить в полиэтиленовый пакет кубики льда (10 шт.) и с помощью молотка разбить их в “кашу” (если на улице есть снег, можно не колоть лед, а воспользоваться им). Потом нужно выложить колотый лед в железную кружку, налить на подставку (большую доску или табуретку) небольшую лужицу воды и поставить кружку в нее. А потом насыпать в кружку 2 ст.л. соли и перемешать соль со льдом. Осторожно, не беритесь за кружку голыми руками, а используйте прихватки или варежки! Ведь в это время она остыла до -30 градусов Цельсия! Дальше надо подождать 2-3 минуты. А после этого  попробовать поднять кружку с подставки. Это сделать невозможно – она накрепко примерзла! Примерзла настолько, что за ручку кружки вместе с ней поднимается не только доска, но и табуретка! И так держаться она будет около получаса до тех пор, пока кружка не начнет оттаивать. Можно даже соскрести немного снега, выступившего на боках кружки, хотя в комнате тепло.

В предыдущих опытах мы уже наблюдали как соль действует на лед. Он начинает таять. Этот процесс требует очень больших затрат энергии. Ведь чтобы из твердого состояния вода перешла в жидкое, должен разрушиться порядок молекул (кристаллическая решетка). А энергия это берется из окружающей среды, резко охлаждая все вокруг. Поэтому получается, что лед в кружке тает, а сама она охлаждается до больших температур. Таких, что от нее замерзает лужица на подставке и та намертво приклеивается к кружке.

Этот способ получения низкой температуры можно использовать, например, для изготовления домашнего мороженого. Сначала надо подготовить молочную смесь для мороженого. Для этого взбить две части сливок (33-35%)  и смешать их с одной частью сгущенного молока. После этого смесь нужно залить в полиэтиленовый пакет. А потом поместить его в другой пакет, наполненный колотым льдом и солью. И энергично встряхивать несколько минут. Соленый лед резко охладит пакетик со смесью до большой отрицательной температуры, и в пакетике получится настоящее мороженное! 

Мы так делать мороженное еще не пробовали, но в ближайшее время собираемся это сделать. А если вам это удалось, то приглашаю поделится своими результатами в комментариях.

Два пластиковых стаканчика, горячая и холодная вода

Эффект (или парадокс) Мпембы гласит, что при определенных условиях горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Поразительно, правда?

Для проведения опыта надо налить в один пластиковый стаканчик кипяток, а в другой – столько же холодной воды. И поставить оба стаканчика в морозилку. Через час-два их можно проверить: какой из стаканчиков замерз сильнее? К сожалению, эффекта Мпембы нам увидеть так и не удалось. Мы несколько раз провели опыт, но стаканчик с холодной водой, как и положено, замерзал первым. Может, вам повезет больше? Жду ваших результатов в комментариях к этой статье.

Эффект Мпембы потому и называется “эффект”, а не “закон”, что он выполняется далеко не всегда. Произойдет ли такой парадоксальный случай, зависит от нескольких причин, о которых ученые спорят до сих пор. Свою роль здесь играет и плотность воды, и наличие в ней определенных примесей и еще много чего. А открыл этот эффект в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба. Когда мальчик заметил такое странное поведение воды, он обратился за объяснениями к своему учителю, но тот не поверил ему. Когда же в школу приехал Деннис Осборн, профессор физики, Мпемба задал этот вопрос и ему. Физик заинтересовался. И в результате научных исследований подтвердилось, что эффект существует. Более того, его упоминали в своих трудах и Аристотель, и Рождер Бэкон, просто никто не удосужился проверить эти сведения. А простой школьник сумел привлечь к парадоксу внимание ученых-физиков. 

Кто знает, может и ваш ребенок, посмотрев эти опыты, заинтересуется наукой и сделает в ней какие-нибудь поразительные открытия? ? Удачных вам экспериментов и нескучных занятий!

Во второй части я рассказываю о том, как еще можно заниматься и играть со льдом: как сделать медальон для Снежной Королевы, ледяные снежинки-мандалы, ледяной аквариум и ледяные подсвечники, как играть в ледяную “искалочку” и увидеть погружение водолаза.

Кроме того, вас ждет небольшой ПОДАРОК от меня  – по этой ссылке можно скачать электронную книгу “Опыты и игры со льдом для детей”, в которую вошли все эти опыты и  еще несколько дополнительных игр. Всего получилось 20 идей, как нескучно провести занятия с детьми ?

Другие наши опыты и эксперименты смотрите на отдельной странице моего блога “Клуб почемучек и опыты для детей“. Например, там можно найти подборку опытов с воздушными шариками, подборку опытов с магнитами и многое другое.
Веселых и полезных вам занятий!