Як замерзає крапля води + конспект STEM - уроку

Фізика водяної краплі, що замерзає

Фотографії показують, як краплі води, розміщені на холодній поверхні, замерзають і на горі краплі утворюється вершина, яка проростає «лісом» деревоподібних кристалів льоду при подальшому охолодженні.

Рис. 1. Фото: by American Institute of Physics

Дослідники з Університету Твенте, що в Нідерландах, помістили краплі води на охолоджену до -20 градусів за Цельсієм тарілку та зробили зображення, коли фронт замерзання рухався вгору по краплі.

Фотографії опубліковані в журналі Американського інституту фізики (AIP) Physics of Fluids. Краплі діаметром приблизно 4 міліметри застигли приблизно за 20 секунд. Під час останньої стадії замерзання на горі краплі утворився гострий кінчик, який можна побачити на рис. 1d. Ефект, який не спостерігається для більшості інших рідин, виникає через те, що вода розширюється під час замерзання. 

Коли рідина повністю замерзне, гострий кінчик краплі притягує водяну пару в повітрі, подібно до того, як гострий металевий громовівідвід притягує електричні заряди. Водяна пара збирається на кінчику, і починає рости "дерево" з дрібних кристалів льоду, як показано на рис. 

2. Дослідники відзначають, що протилежний ефект переважно витягує молекули води з гострого краю шматочків картоплі в духовці.

Рис.2. Фото: by American Institute of Physics

Коли крапля води лежить на дуже холодній поверхні, вона замерзає не одночасно по всьому об’єму.

1️⃣ Замерзання знизу

Найперше лід починає утворюватися в місці контакту з холодною поверхнею. Там виникає тонкий шар льоду, який поступово росте вгору.

2️⃣ Розширення води

Під час переходу у твердий стан вода збільшує свій об’єм приблизно на 9 %.
Оскільки нижня частина краплі вже тверда, рідина всередині не має куди розширюватися.

3️⃣ Утворення вершини

Надлишковий тиск виштовхує воду догори, у найтоншому місці краплі.
Так формується гостра вершина — маленький «крижаний пагорб».

4️⃣ Ріст деревоподібних кристалів

Коли температура продовжує знижуватися:

• вода на вершині швидко переохолоджується;

• кристалізація відбувається дуже швидко;

• кристали ростуть у вигляді гілок і «дерев» — це називається дендритний ріст.

5️⃣ Чому саме «ліс»?

Лід росте вздовж напрямків, де:

• швидше відводиться тепло;

• легше приєднуються молекули води.

Через це кристали мають фрактальну, розгалужену форму, подібну до дерев або коралів.

Фото: Pointy ice-drops: How water freezes into a singular shape

Фото: Conical shape of frozen water droplets
Andrei Schetnikov, Vitalii Matiunin, and Vyacheslav Chernov
American Journal of Physics 83, 36 (2015); https://doi.org/10.1119/1.4897499

Відео: 

Питання:

Чи зміниться форма замерзаючої краплі, якщо додати домікки? Як домішки будуть розташовуватись у краплі, що замерзає?

Чому дорівлює кут при вершині краплі?

STEM-урок «Як замерзає крапля води»

Вікова група: 10–15 років

Тривалість: 45 хв

Формат: дослідницький, hands-on + аналіз фотографій

Предмети: фізика + природознавство + STEM

---

Проблемне питання уроку

Чому під час замерзання краплі води на її вершині утворюється гострий пік, а потім виростає “ліс” кристалів льоду?

---

Мета уроку

• дослідити, як саме замерзає крапля води;

• пояснити:

  • поетапне замерзання,

  • розширення води під час кристалізації,

  • дендритний ріст кристалів;

• сформувати навички:

  • спостереження,

  • аналізу візуальних даних (фото),

  • формулювання гіпотез і висновків.

---

Очікувані результати

Учні:

• пояснюють, чому замерзання починається знизу;

• розуміють, чому вода виштовхується вгору;

• описують, як і чому ростуть деревоподібні кристали льоду;

• пов’язують експеримент з природними явищами (іній, сніжинки).

---

Обладнання

• холодна металева або скляна поверхня (можна з морозильної камери);

• піпетка або ложка;

• вода;

• морозильна камера;

• серія фотографій замерзання краплі (або відео);

• робочий аркуш для учнів;

• серветки.

---

Хід уроку

---

1. Мотивація (5 хв)

Учитель показує фото замерзлої краплі з кристалами.

Запитання до класу:

• Чи схожа ця форма на звичайну крижинку?

• Чому вершина гостра?

• На що схожі ці кристали?

👉 Учні формулюють припущення.

---

2. Формулювання гіпотез (5 хв)

Учні в групах завершують фрази:

• «Крапля замерзає знизу, тому що…»

• «Вершина утворюється через…»

• «Кристали ростуть у вигляді “дерев”, бо…»

---

3. Демонстраційний експеримент (10 хв)

1. Учитель капає воду на дуже холодну поверхню.

2. Учні спостерігають:

   • спочатку замерзає нижня частина;

   • крапля змінює форму;

   • з’являється вершина.

3. За можливості — порівняння з фото або відео уповільненої зйомки.

---

4. Аналіз фотографій (10 хв)

Кожна група отримує фото з різними стадіями замерзання.

Завдання:

• розташувати фото в правильній послідовності;

• підписати кожен етап:

  1. рідка крапля;

  2. замерзання знизу;

  3. утворення піку;

  4. ріст дендритних кристалів.

---

5. Наукове пояснення (10 хв)

Ключові ідеї (з опорою на спостереження учнів):

• Замерзання починається знизу, бо там найхолодніше.

• Вода при замерзанні розширюється (~9%).

• Лід знизу блокує розширення → вода виштовхується вгору.

• Утворюється гостра вершина.

• Подальше охолодження → швидка кристалізація → дендритний (“деревоподібний”) ріст.

---

6. Зв’язок з природою (5 хв)

Обговорення:

• де в природі ми бачимо подібні форми?

  • сніжинки;

  • іній;

  • візерунки на вікнах;

  • крижані голки.

---

Оцінювання

• активність у груповій роботі;

• правильність послідовності фото;

• короткий письмовий висновок:

  «Що є головною причиною утворення крижаної вершини?»

---

Додаткове дослідження

🔹 змінити умови:

• інша поверхня (пластик / метал);

• солона вода;

• більша або менша крапля.

🔹 творчі завдання:

• намалювати схему замерзання;

• створити науковий комікс «Життя однієї краплі»;

• записати коротке відеопояснення.

Замовити презентацію до заняття: "Як замерзає крапля?" тут

Корисні ресурси:

Приєднуйтесь!

Бережіть себе і родину! Все буде Україна!

Telegram: https://t.me/pakhomovaeducation FB: https://www.facebook.com/educationXXII/