МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИДЕПАРТАМЕНТ ОСВІТИ І НАУКИ

ЛЬВІВСЬКОЇ ОБЛДЕРЖАДМІНІСТРАЦІЇКОМУНАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ЛЬВІВСЬКОЇ ОБЛАСНОЇ РАДИ

«ЛЬВІВСЬКА ОБЛАСНА МАЛА АКАДЕМІЯ НАУКУЧНІВСЬКОЇ МОЛОДІ»

СОКАЛЬСЬКА МАЛА АКАДЕМІЯ НАУК УЧНІВСЬКОЇ МОЛОДІ

Відділення: хімія та біологіяСекція: хімія

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………….4

РОЗДІЛ 1

ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

1.1. Процес фотосинтезу – як один з альтернативних джерел енергії…......6

1.2. Історія створення батарейки……………………………………………..6

РОЗДІЛ 2

ДОСЛІДЖЕННЯ ДЖЕРЕЛ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

2.1. Овочі та фрукти – джерела струму………………………………………9

2.2. Дослідження електропровідності овочі та фруктів……………………..9

2.3. Створення фруктових та овочевих джерел струму…………………….11

2.4. Дослідження фруктових та овочевих батарейок…………………….11

2.5. Дослідження гальванічних елементів………………………………....12

2.6. Використання саморобних приладів для дослідження якості води….14

2

2.7. Оцінка практичного застосування електричних властивостей овочів..14

ВИСНОВКИ………………………………………………………………….16

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………..17

ДОДАТКИ

ВСТУП

Останнім часом людство стикається з дефіцитом енергоресурсів.

Прийдешнє виснаження запасів нафти і газу спонукає науковців шукати нові

поновлювані джерела енергії, до числа яких зараховують і рослини. Тільки

зелена рослина є тією єдиною в світі лабораторією, яка засвоює сонячну енергію

і зберігає її у вигляді потенційної хімічної енергії органічних сполук, що

утворюються в процесі фотосинтезу.

Значення фотосинтезу як одного з процесів перетворення енергії не могло

бути оцінено до тих пір, поки не виникло саме уявлення про хімічну енергію. У

1845 Р.Майер дійшов висновку, що при фотосинтезі світлова енергія переходить

в хімічну потенційну енергію, що запасається в його продуктах. У 1972 році

вчений М.Кальвін висунув ідею створення фотоелемента, в якому в якості

джерела електричного струму служив би хлорофіл.

У Японії проводяться дослідження з перетворення сонячної енергії в

електричну за допомогою ціанобактерій, вирощених в поживних середовищах.

Експерименти тривають і донині в різних країнах. На сьогоднішній день точно

3

встановлено: власною «електростанцією» володіє кожна жива клітина . І

клітинні потенціали не такі вже й низькі . Наприклад, у деяких водоростей вони

досягають 0,15 В. А якщо овочі та фрукти також мають невелику кількість

електричного заряду, отже, вони можуть бути і джерелами енергії.

Тому метою роботи було дослідження природних джерел струму в

овочах та фруктах.

Завдання:

- ознайомитися з сучасними уявленнями про джерела струму в рослинах;

- ознайомитися з історією виникнення батарейок;

- проаналізувати електропровідність овочів під час їх зберігання;

- провести дослід з фруктово-овочевими батарейками;

- сформувати практичні вміння та навички, провести експерименти, досліди і

спостереження.

Об'єкт дослідження: фрукти і овочі.

Предмет дослідження: вивчення овочевих і фруктових джерел струму.

Так як фрукти і овочі складаються з різних мінеральних речовин

(електролітів), то вони можуть стати природними джерелами струму.

У роботі використано різні літературні джерела, а також інтернет-ресурс з

описами дослідів, на основі чого й проводилися наші дослідження.

Роботу можна використовувати на уроках біології, екології, фізики та

позакласних заходах. Наші дослідження будуть цікаві не тільки школярам і

педагогам, але і всім тим, хто любить фізику, біологію і хімію.

4

РОЗДІЛ 1

ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

1.1. Процес фотосинтезу - як один з альтернативних джерел енергії.

З'ясування природи фотосинтезу почалося ще за часів зародження сучасної

хімії. Великий внесок у вивчення процесу фотосинтезу вніс російський вчений

К.А.Тімірязєв. Він вперше довів експериментально, що закон збереження енергії

справедливий і по відношенню до фотосинтезу.

Процес фотосинтезу, що протікає в клітинах рослин, є одним з головних

процесів. У ході нього відбувається не тільки поділ молекул води на кисень і

водень, а й сам водень в якийсь момент виявляється розділеним на складові

частини - негативно заряджені електрони і позитивно заряджені ядра... Так що,

якщо в цей момент вченим вдасться «розтягнути» позитивно і негативно

заряджені частинки в різні сторони, то, по ідеї, можна отримати чудовий живий

генератор, паливом для якого служили б вода і сонячне світло, а крім енергії, він

би ще виробляв і чистий кисень. Можливо, в майбутньому такий генератор і

буде створений. Але для здійснення цієї мрії вченим доведеться чимало

5

потрудитися: потрібно відібрати найбільш підходящі рослини, а може, навіть

навчитися виготовляти хлорофілові зерна штучно, створити якісь мембрани, які

б дозволили розділяти заряди.

Дані досліджень лабораторії молекулярної біології і біофізичної хімії МГУ

по створенню таких мембран показали, що жива клітина, запасаючи електричну

енергію в мітохондріях, використовує її для здійснення дуже багатьох функцій:

будівництва нових молекул, затягування всередину клітини поживних речовин,

регулювання власної температури... За допомогою електрики виробляє багато

операцій і сама рослина: дихає, рухається (як це роблять листочки всім відомої

мімози-недоторки), зростає.

1.2. Історія створення батарейки.

Про електрику знали ще стародавні греки. Якщо взяти бурштин і натерти

вовняною тканиною, то створюється заряд статичної електрики. Янтар вони

називали «електрон» . А в пірамідах Стародавнього Єгипту вчені виявили

судини, що нагадують акумулятори. Термін «електрика» (electricity) ввів

англійський натураліст, лейб-медик королеви Єлизавети Вільям Гілберт. Вперше

він вжив це слово у своєму трактаті «Про магніти, магнітні тіла і про великий

магніт - Землю», який був виданий в 1600 році. У цьому творі вчений пояснював

дію магнітного компаса, а також наводив опис деяких дослідів з

наелектризованими тілами.

Історія створення простої батарейки сягає своїм корінням у XVIII ст., І, як

не дивно, поштовх до створення цього джерела струму був даний не фізиком, а

біологом. Наприкінці 1780 р. професор анатомії в Болоньї Л.Гальвані займався в

своїй лабораторії вивченням нервової системи препарованих жаб. Зовсім

випадково вийшло так , що в тій кімнаті працював і його приятель - фізик, який

проводив досвід з електрикою. Одну з препарованих жаб Гальвані поклав на

стіл, на якому стояла електрична машина. У цей час до кімнати увійшла дружина

Гальвані. Її погляду постала моторошна картина: при іскрах в електричній

машині лапки мертвої жаби, доторкнувшись до залізного предмету, смикалися.

6

Вона з жахом вказала на це чоловікові. Зіткнувшись з незрозумілим явищем,

Гальвані вирішив детально досліджувати це явище. Гальвані був фізіологом, а не

фізиком, тому бачив причину цього явища в якійсь «живій електриці», різному в

м’язах і нервах. Свою теорію про «тваринну електрику» Гальвані підтверджував

посиланням на відомі випадки розрядів, які здатні виробляти деякі живі істоти -

електричні риби. Він не зумів правильно пояснити побачине ним явище, це було

зроблено пізніше іншим ученим - фізиком Алессандро Вольтом. Численні

досліди показали фізичну природу джерела струму; вони привели до створення

першого гальванічного елемента. Вольт брав дві монети - обов'язково з різних

металів - і... клав їх собі в рот: одну - на язик, іншу - під язик. Коли він з'єднував

монети дротиком, то відчував солонуватий смак. Той же смак, але набагато

слабкіше, ми можемо відчути, лизнувши одночасно обидва контакти батарейки.

З дослідів, проведених раніше, Вольта знав, що такий смак викликається

електрикою. 20 березня 1800 Вольт повідомив про свої дослідження на засіданні

Лондонського Королівського товариства. З того дня джерела постійного

електричного струму - Вольтів стовп і батарея - стали відомі багатьом фізикам і

почали широко використовуватися.

Отримати джерело струму, подібний вольтовому стовпу можна,

використовуючи різні овочі або фрукти. Один з «рецептів виготовлення»

гальванічного елемента був описаний ще в 1909 р. У сиру картоплину

вставляють залізний цвях і мідну пластинку, з'єднані з гальванометром.

Стрілка гальванометра відхиляється, що вказує на наявність струму в ланцюзі.

(Додаток 1)

7

РОЗДІЛ 2

ДОСЛІДЖЕННЯ ДЖЕРЕЛ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

2.1. Овочі та фрукти - джерела струму.

З різних літературних джерел ми з'ясували, що всі овочі і фрукти мають

невелику кількість електричного заряду, отже, вони можуть бути і джерелами

енергії. Вчені стверджують, що якщо у нас вдома відключать електрику , ми

зможемо якийсь час висвітлювати свій будинок за допомогою лимонів. Це

відкриття було зроблено ще 200 років тому італійським фізиком Олессандро

Вольтом, і вже в 1800 році він винайшов першу фруктову батарейку. Ім'ям цього

вченого назвали одиницю виміру напруги , а його фруктове джерело енергії

стало прабатьком всіх нинішніх батарейок.

У своїх дослідженнях я вирішив перевірити чи можуть овочі та фрукти стати

джерелами енергії.

8

2.2. Дослідження електропровідності овочів і фруктів.

У навколишньому світі дуже важливу роль відіграють хімічні джерела

струму. Ми щодня стикаємося з батарейками, акумуляторами, паливними

елементами.

Вони використовуються в мобільних телефонах і космічних кораблях, в

крилатих ракетах і ноутбуках, в автомобілях, ліхтариках і звичайних іграшках.

Незважаючи на великі відмінності в конструкціях і призначеннях, хімічні

джерела струму працюють за схожим принципом. Уже в 19 столітті вченими

були отримані безперечні докази існування електричних процесів в рослинних

тканинах.

Я скористався цим способом і виміряв мікроамперметром силу струму в

фруктах і овочах за допомогою електродів діаметром 1 мм (мідний і сталевий),

занурюючи їх на глибину 2 см., відстань між електродами була не більше 3 см.

Для дослідження були взяті овочі та фрукти, призначені для зимового

зберігання в домашніх умовах. (табл.1)

Таблиця 1. Дослідження електропровідності овочів і фруктів під час

зберігання

назважовтень

I, мкА / m, г

листопад

I, мкА / m, г

грудень

I, мкА / m, г

січень

I, мкА / m, г

картопля 51-46 / 160 46-43 /150 43-39 /14 39-32 /141

морква 20-18 / 104 18-17 /98 17-14 /91 14-11 /86

буряк 29-25 /120 25- 23 /114 23-20 /108 20-17 /98

яблуко 31-27 /120 27- 23 /105 23-19 /98 19-10 /83

Примітка: I, мкА - сила струму, мікроампери

  m, г - маса плоду, грами

Результати досліджень за кілька місяців показали, що рідини в плодах всіх

досліджуваних речовин виявилося в три рази менше від початкової. Давно

відомо, що всі плоди рослин являють собою відкриті системи біологічного

9

походження складного фізико-хімічного складу з характерними особливостями

функціонування протягом усього їхнього розвитку та зберігання. А

переважаючим компонентом є вода. Здатність овочів і фруктів до тривалого

зберігання визначається не кількісним вмістом води, а її станом, тобто формою

зв'язку із сухою речовиною продукту, її молекулярною здатністю переходити з

рідкого стану в газоподібну фазу.

Отже, в процесі зберігання овочі та фрукти «всихають», тобто кількість

рідини в них зменшується, а вміст газів збільшується, в результаті чого

електропровідність їх теж зменшується. Використовуючи такі дані, легко

відрізнити плоди нового врожаю поточного року від плодів і овочів минулого. А

основна характеристика при зберіганні - це сталість маси сухої речовини при

зміні маси рідини.

2.3 Створення фруктових та овочевих джерел струму.

Отже, для створення фруктової батареї я спробував взяти лимони, яблука,

банани, ківі, апельсини, яких в надлишку в наших магазинах. Позитивним

полюсом визначив кілька блискучих мідних пластин. Для створення негативного

полюса вирішив використовувати оцинковані пластини. Звичайно ж,

знадобилися дроти, з затискачами на кінцях.

Ножем зробив в фруктах невеликі

надрізи, куди вставляв наші пластини

(електроди). Після з'єднання всіх частин

воєдино у мене вийшла фруктова лимонна

батарейка (рис.1)

2.4. Дослідження фруктових та овочевих батарейок.

Експериментально було виявлено, що поступово сила струму і напруга

зменшуються. Виявилося, що величини сили струму і напруги пов'язані з

Рис.1. Лимонна батарейка

10

кислотністю продукту. (табл.2.) Потім спробував й різні комбінації послідовно

з'єднаних продуктів.

Таблиця 2. Дослідження фруктових батарейок

Назва Напруга, В Сила струму, А

Огірок 0,5 0.1

Огірок (солоний) 0,7 0.2

Помідор 0,4 0.1

Помідор (солоний) 0,35 0.01

Лимон 0,8 0.2

2-а огірка 1,01 0.6

Сира картопля 0,7 0.2

Варена картопля 1,35 0.5

Лимон + огірок 1,68 0.7

Аналіз дослідження показав, що найбільше значення сили струму

спостерігається у солоного огірка, сирої картоплі (Додаток 4) і лимона. Значення

напруги і сили струму у вареної картоплі в два рази більше , ніж у сирої.

Набагато цікавішими є результати сполук джерел послідовно. Якщо два огірки

мають напругу практично вдвічі більше, ніж один (як і має бути), то з'єднання

елементів на основі різних кислот дає зростання напруги більше, ніж проста

сума двох компонентів. Пояснити збільшення напруги огірка і лимона при їх

з'єднанні я не можу. Можливо, це випадковий результат. Адже в межах похибки

напруга на лимоні і огірку дорівнює сумі напруг їх окремо.

2.5. Дослідження гальванічних елементів.

 Світ фізики великий і цікавий, експериментувати можна з усім, що є під

руками, і якщо немає приладів, то можна винайти самому, наприклад

гальванометр. При спробі визначити електрорушійну силу ( ЕРС ) солоних

11

овочів за допомогою саморобного гальванометра я зіткнувся з проблемою: опір

гальванометра виявився дуже малим (0,8 Ом). Це призводило до того, що

напруга на затискачах ЕРС падала практично до невимірюваної величини. Всі

операції довелося проводити дуже швидко, так як ЕРС різко падав при

протіканні струму в ланцюзі (елемент розряджався).

Для чистоти експерименту я взяв огірок і помідор одного посолу.

За допомогою компаса, картону та ізольованого мідного дроту виготовив

гальванометр (рис.2) і відкалібрував його за допомогою пальчикової батареї

напругою в 1,5 В. Стрілка компаса відхилилася

на 60º, отже, 1º відповідає напрузі 1,5/60 B.

Зробив два гальванічні елементи:

a) з солоного огірка, помістивши електроди на

відстані 2 см один від одного;

б) з солоного помідора (ті ж електроди розміщені

так само). (рис.3)

Результати експерименту показали, що при приєднанні першого

гальванічного елемента стрілка компаса відхилилася на 30º. Отже, напруга

першого гальванічного елемента дорівнює: 0.76 В. При приєднанні другого

гальванічного елемента стрілка компаса відхилилася на 15º. Отже, напруга

другого гальванічного елемента дорівнює 0.38 В.

Зробив кашоподібну суміш з огірка. Виміряв напругу каші - свідчення

гальванометра не змінилися. Потім виміряв напругу каші помідора - стрілка

компаса відхилилася на 60º. Отже, напруга дорівнює 1,53 В.

Вимірювання ЕРС в солоних овочах проводилося за принципом отримання

напруги в гальванічних елементах. Для цього два різнорідних електрода

занурювалися в овочі на глибину 1 і 2 см зі зміною відстані між електродами з 1

см до 32см і витримувалися 2 секунди. Причому змінювалася і ширина

електродів.

Результати вимірювань занесені в таблицю 3.

Таблиця 3. Дослідження гальванічних елементів

Рис.3. Гальванічні елементи

12

Огірок Огірок (пюре)

Помідор Помідор(пюре)

Ширина цинков. електр. см

Відстань між електрод.см

Глибина занурен. електродів см

Напруга В

Напруга В

Напруга В

Напруга В

1 1 1 0,7 0,7 0,38 0.91 1 2 0,76 0,76 0,4 0.921 2 1 0,7 0,7 0,38 0.91 2 2 0,76 0,76 0,4 0.922 1 1 0,85 0,85 0,45 0.952 1 2 0,87 0,87 0,5 0.972 2 1 0,85 0,85 0,45 0.952 2 2 0,87 0.87 0,5 0.97

Таким чином, у мене вийшло, що провідність цілого огірка в 2 рази більша ,

ніж провідність цілого помідора. Суть цього явища полягає в тому, що під

шкіркою огірок однорідний , а помідор має м'якоть з перегородками, які є

діелектриками. Тому цілий помідор проводить струм гірше, ніж огірок.

Зробивши кашу (пюре) з помідора , ми позбавляємося від перегородок (тобто

середовище стає однорідним), і провідність помідора стає кращою, ніж

провідність огірка. У ході експерименту було помічено, що для роботи плеєра у

відсутності батарейок на 1,53 В, можна замість кожної з них в якості джерела

струму використовувати або 2 солоних огірки , або 4 солоних помідора; пюре з

солоного помідора може замінити цілу батарейку. Останні (огірки та помідори)

на відміну від хімічних джерел струму є екологічно чистими. У первинний

момент погруження електродів в овочі спостерігався стрибок стрілки компаса до

1,1 В у помідорах і до 1 В у огірках, потім її поступовий спад, що свідчить про

руйнування оболонки клітини. Для точного визначення залежності ЕРС від

розмірів електродів, відстані між ними і глибини погpуження необхідно більш

точний прилад.

2.6. Використання саморобних приладів для досліджень якості води.

13

Але найцікавішим виявилося, що навіть у води, взятої з різних джерел

(водопровід, колодязь, ставок), створювана різниця потенціалів помітно

відрізняється. Це дає можливість використовувати наш прилад для швидкого

аналізу якості води. Чим більше домішок, тим більшу напругу фіксує вольтметр.

Можливо, цей прилад можна використовувати для моніторингу малих річок. Є

ідея використовувати елемент Вольта для аналізу овочів і фруктів на вміст

нітратів.

2.7. Оцінка практичного застосування електричних властивостей

овочів.

У ході вимірювань я спробував оцінити можливість практичного

застосування електричних властивостей овочів. Зокрема, я спробував запалити

світлодіод від огірка і лимона. Досвід показав, що, внаслідок великого

внутрішнього опору елементів і малої їх ємності лампа не запалювалася.

Провівши експерименти, я, з одного боку, переконався в тому, що навіть

звичні нам предмети харчування можуть виступати в незвичній ролі. З іншого

боку, я переконався у виконанні законів фізики. Тому я планую надалі з'ясувати,

скільки лимонів потрібно для роботи побутових електроприладів.

14

ВИСНОВКИ

Фрукти і овочі можуть служити джерелами струму, якщо ввести в них

мідний і цинковий електроди .

Експериментально встановлено, що величина струму, створюваного

досліджуваним овочем або фруктом, не залежить від його розміру, а

визначається наявністю в ньому розчинів мінеральних солей, видом

електродів.

Величини сили струму і напруги пов'язані з кислотністю продукту і з

різними комбінаціями послідовно з'єднаних продуктів.

Аналіз дослідження показав, що найбільше значення сили струму (0,2 А)

спостерігається у солоного огірка, сирої картоплі і лимона. Значення

напруги і сили струму у вареній картоплі в два рази більше, ніж у сирій.

Провідність електричного струму залежить від однорідності овочів і

фруктів.

У процесі зберігання овочі та фрукти «всихають», тобто кількість рідини в

них зменшується, а вміст газів збільшується, в результаті чого

електpопpовідність їх теж зменшується.

15

Фруктові та овочеві батарейки можуть заміняти кишенькові батарейки для

освітлення холодильника, льохи (банка з огірками і електроди), а також в

екстремальних ситуаціях (відключення електрики).

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Алексєєва М.М. Фізика - юним . - М.: Просвещение, 1980, с.174

2. Артамонов В.І. Цікава фізіологія рослин -М . : - Агропромиздат, 1991 , с.336

3. Блудов М.І. Бесіди з фізики. - М.: Просвещение, 1984, с.225

4. Генкель П.А. Фізіологія рослин: Навчальний посібник з факультативного

курсу для IX кл. - М.: Просвещение, 1985, с.175

5. Громов С.В., Батьківщина Н.А. Фізика -9. - М.: Просвещение, 2000, с.339

6. Зауралов О.А Короткий курс фізіології і біохімії рослин - Саранськ : вид-во

Мордов . Ун-ту, 1995, с.197

7. Ільченко В.Р. Перехрестя фізики , хімії та біології. - М.: Просвещение, 1986,

с.155

8. Кац Ц.Б. Біофізика на уроках фізики. - М.: Просвещение , 1974 , с.235

9. Кирилова І.Г. Книга для читання з фізики. 6-7 кл. - М.: Просвещение, 1978,

с. 198

10. Красновський А.А. Перетворення енергії світла при фотосинтезі -

Саранськ, 1987, с.223

11. Польовий В.В. Фізіологія рослин - М. : Вища. шк., 1989, с.150

16

12. Риженков А.П. Фізика . Людина . Навколишнє середовище . - М.:

Просвещение, 1999, с.336

13. Тімірязєв К.А. Життя рослин. -М.: ВАТ «Друкарня« Новини »спільно з

видавництвом МСХА , 2006 -320 с.

14. Енциклопедія «Що таке ? Хто такий? »Т. 3. - М.: Педагогіка, 1978, с.543

15. Я пізнаю світ: Дитяча енциклопедія: Фізика: За заг. ред. О.Г. Хинн. - М. :

АСТ, 1996, с.613

16. Шолль В.Д. Енциклопедичний словник. Природознавство. -М : Велика

Російська енциклопедія, 2003 - 543 с.

Додаток 1

Виготовлення генератора електричного струму з картоплі

Практично в будь-якому фрукті та овочі є електрика, оскільки вони

заряджають нас, людей, енергією при їх вживанні.

Можна зробити з картоплі генератор електричного струму. Для цього

знадобляться одна картоплина, дві зубочистки, ніж і чайна ложка, два дроти,

зубна паста і сіль. Провід слід зачистити, картоплину розрізати на дві половинки

за допомогою ножа, дроти протягнути через половинку картоплі. За допомогою

ложечки зробити в інший половинці картоплі виїмку (ямочку) - розмір ямочки

дорівнює розміру ложечки. Зубну пасту змішати з сіллю і наповнити нею виїмку

в половинці картоплі. Потім з'єднати дві половинки (проводи з внутрішньої

сторони варто підігнути , але так щоб вони були вмочені в зубну пасту),

половинки картоплі з'єднати за допомогою зубочисток. Генератор електрики

готовий. Для добування вогню слід намотати шматочок вати на один з проводів ,

почекати пару хвилин (батарея повинна зарядитися), потім слід піднести дроти

один до одного до виникнення іскри.

17