Пользователь
0,1
рейтинг
19 декабря 2013 в 02:36

Как мы со школьником писали научную работу

Резюме: как выбрать интересную тему, написать и подготовить к защите хорошую работу МАН по химии и зачем все это надо школьнику.

Началось все где-то год назад, когда я прочитал вот этот пост «Импульсный электролиз на Google Science Fair» за авторством уважаемого Kidar и поставил зарубку в памяти. Дело в том, что у меня уже было плотное желание подготовить школьника к выступлению на конкурсе научных работ Малой академии наук по секции химии. А тут такая шикарная идея. В этом сезоне кажется все получилось. Работа написана в Харькове, на базе химического факультета Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина.

image

Про всякие научные соревнования школьников в Украине

Основная часть читателей все-таки из России, но эти дела у нас устроены примерно одинаково. Говорить буду про химию, потому что больше в теме. По прочим предметам все примерно одинаково, программисты, насколько я знаю, обделены темой турниров. Есть три основных вида соревнований, которые проходят по этапам вида школа-район-область-страна. Успешное выступление на последних двух этапах дает бонус к результату ЗНО (экзамен по типу ЕГЭ). Хотя обычно школьник, победивший на республиканском этапе, пишет его левой ногой на 195 из 200.

Предметные олимпиады

Эта тема на Хабре периодически всплывает. Эти соревнования индивидуальные. Школьники приходят в условленное время в условленное место, получают набор заданий и три часа самостоятельно их решают. Зачет — раздельный по параллелям. Призеры идут на следующий этап. Те, кто относительно успешно выступил на областном этапе (1 и 2 места, около 10 человек из параллели) ходят в универ на учебные сборы, где фактически идут по слегка облегченной и заточенной под олимпиадные задачи программе первых трех курсов соответствующего факультета. После этого идет промежуточный отборочный этап, по итогам которого формируется команда на всеукраинский этап. Размер команды зависит от прошлогоднего результата областной команды. Это может быть от 4 до кажется 12 человек суммарно на 8-11 классы. Команда может быть не больше квоты. Призеры в 10 классе едут на Менделеевскую олимпиаду, которая раньше была Всесоюзной, в 11 классе — на Международную олимпиаду. Дипломы менделеевки и межнара позволяют очень льготно поступить вообще в любой университет по всему глобусу.

Турниры юных %scientists

Тут все наоборот. Соревнование командное, задания публикуются за полгода до. Вопросы очень неоднозначные и предполагающие множественность решений. Задачу надо не только решить, но и внятно доложить, а противнику — обоснованно покритиковать. При этом нельзя предлагать свое решение. Классический пример задания — Разработайте способ создания огнестрельного оружия на необитаемом острове. И 7 минут на доклад, крутись как хочешь. Изначальная концепция турнира подразумевала задания простые и понятные при первом прочтении, но при этом интересные и обсуждаемые. Потом пошла очень нехорошая на мой взгляд тенденция ухода в серьезную науку. Турнир превратился в соревнование тренеров команд и выяснение, у кого из них диссертация больше похожа на заданную задачу. Сейчас вроде все возвращается к норме, правда ценой падения интересности. Стараюсь в меру сил повышать уровень, отправил главе жюри пакет на мой взгляд интересных и легко осознаваемых задач. cheklab.ru/archives/4003 — хороший и подробный отчет по теме. Турнир не дает бонусов для поступления, потому что мероприятие командное. Личный зачет в нем есть, но он символический и довольно субъективный.

Малая академия наук

Сокращенно — МАН. Это наука в чистом виде. Школьник под чутким руководством научрука пишет научную работу, по весовой категории полученный труд приблизительно соответствует курсовой работе. Затем пишет контрольную работу по типу олимпиады соответствующего уровня и докладывает работу перед высоким жюри. Результат — сумма баллов за контрольную и доклад. Призеры идут на следующий этап. Разделения по классам нет, но обычно преимущество негласно дают 11 классу. Им и нужнее, и работы у них обычно серьезней. Здесь очень широкий выбор секций и тематик, от ветеринарии до безопасности информационных систем. Ввиду моей специализации я плотно сижу в обильно населенной секции химии, подвигаться особо некуда. И есть некая вероятность, что подопечного могут принудительно выгнать в другую секцию. В целом проблема та же, что и была на турнирах. Под видом работы очень любят втулить кусок диссертации руководителя. А это перерастает в соревнование, у кого в лаборатории стоит более дорогой прибор. Такие работы более научные, но они дальше от школы и при этом теряется какой-то кайф и интересность. Кстати, это единственное из описанных соревнований, в котором я не участвовал будучи школьником. Терпения не хватало, ну и руководителя не было. Так что для компенсации потерь года полтора назад я начал потихоньку кидать в гуглдоковский файл список потенциально интересных и реализуемых на школьном уровне тем. И ждать, пока появится годный школьник, чтобы можно было с ним такое провернуть. И в июле этого года школьник появился.
В этом конкурсе очень многое зависит от руководителя. Когда два года судил районный этап в самом сильном районе города, было очень четко видно, кого из учеников готовили в школе, а кого — на базе университета. Просто по первым словам доклада. И школьников, которые эпично лажались из-за фейлов руководителей, было просто жалко.

О постановке задачи

Когда я прочитал пост про импульсный электролиз, идея сформировалась сразу же. Вспышки были характерно желтого цвета, явно от атомной эмиссии натрия, содержащегося в воде. Если получить спектр этого свечения и измерить его интенсивность при длине волны 589 нм, то должна быть зависимость от содержания натрия в воде. Так что тема работы для пущей весомости, научности и соответствия секции химии сформулировалась так — «Атомно-эмиссионное определение натрия в минеральной воде с использованием флайбэк-генератора для искровой атомизации пробы». Ну а что — играть в науку, так по солидному.

Суть работы

Получаем плазму над поверхностью анализируемой воды с помощью искры от катушки зажигания, разлагаем ее в спектр дифракционной решеткой поверх объектива камеры, заливаем на spectralworkbench.org для обсчета, делаем градуировку соответствия сигнала и концентрации, ?????, PROFIT.

Атомная эмиссия

Есть такой способ измерения содержания натрия и калия в жидких объектах. Если перевести пробу в пар при температуре тысячу-полторы градусов по Цельсию, то натрий перейдет в состояние атомного пара и начнет очень интенсивно излучать монохромный желтый свет с длиной волны 589 нм. Интенсивность излучения линейно зависит от содержания натрия в пробе, то есть можно измерить несколько растворов с известной концентрацией и получить коэффициенты этого линейного уравнения:
I=a*c+b, где I — интенсивность, c — концентрация.
Для получения атомного пара обычно применяют впрыск пробы в пламя газовой горелки, прибор со всеми потрохами занимает небольшой шкаф. Почему бы не попробовать заменить все это на небольшой генератор искры?

Оптика

Свет можно разложить в спектр призмой или решеткой. Интуиция подсказала, что решетка удобней в работе, но на всякий случай заказал у китайцев и то и то. Делать решетку из дивидишки не было никакого желания. При этом краем глаза посматривал на Spectral Workbench. Их бумажный спектроскоп (изображен на КДПВ) по факту не прокатил из-за очень низкой светосилы. Но прокатило просто приложить решетку к объективу. Это абсолютно не годится для работы при дневном свете, но наша плазма получилась относительно точечной и в темноте.

Искратор

Сдут вот отсюда: cxem.net/tesla/tesla27.php. Сначала пытался собрать на поджигающем трансе от фотовспышки, но мощи явно не хватало. Поставил жигулевскую катушку, питание от 4х18650 и чуть обвязки для защиты полевика и микросхемы. При первом же запуске у аккумов повзрывались схемы защиты, пришлось ампутировать. Частота около 500 Гц, скважность 60%. Искра получалась около 7 мм в длину, катушка при этом резонансно воет на частоте около 1.5 кГц, как я понимаю из-за всяких гармоник. Схема и реализация ничего особого из себя не представляет:


Один электрод макаем в воду, второй висит в 2-3 мм над поверхностью. Если наложить на объектив дифракционную решетку и поставить выдержку побольше, то получится такое вот зрелище:

А если убрать фон и оставить только то что надо, то будет вот так:

Спектральную линию натрия видно невооруженным глазом

Видео высокоскоростной камерой, 1000 к/с. Вот те тусклые вспышки по центру — это и есть разряды

Расчет

После калибровки и заливки на сайт получился вот такой симпатичный спектр:

Пик натрия на своем месте, расхождение буквально в 1 нм. Дальше все просто. Измерили несколько растворов с точной концентрацией натрия, получили уравнение, измерили минералку, рассчитали содержание натрия. Результаты похожи на правду, приводить не буду по причине их абсолютной бесполезности

Результаты

Работа была успешно доложена на районном этапе. Район слабый сам по себе, и было всего четыре участника. Из них двое готовились в моей лаборатории, а еще двое — школьными учителями. Мой подопечный и еще один ученик прошли на областной этап. Доклад будет в середине января. За это время надо идеально подготовить доклад и ответы на всевозможные провокационные вопросы. Дело осложняется тем, что химии в работе не так много как у конкурентов, надо вдобавок научить не вполне школьной физике и электронике. Рубилово будет мощнейшее, конкурентов много и они реально сильные. Шансов на мой взгляд негусто, но пробовать надо. Для первого моего руководства пока результат неплохой. На будущее надо более активно пинать школьников, а то у них есть вечное желание откосить. Но это и понятно.

Планы-планы

А их много. Почти все из них где-то подсмотрены, но придумать что-либо абсолютно с нуля уже не очень реально, особенно на школьном уровне. Список возможных тем плавно дорос до двух страниц текста. Там и самодельные полупроводники, и солнечный элемент на органическом красителе, и газогенератор для подушки безопасности. Но школьников, которые такое сходу осилят, мало, и почти нет больных на голову союзников, которые готовы с разбегу встрять в абсолютно незнакомую тему. Но надежда умирает последней. Да и руководство в этих делах как минимум не мешает, даже если есть небольшой ущерб основной работе.
Вадим Марков @BubaVV
карма
80,5
рейтинг 0,1
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (39)

  • +1
    Если секция, как обычно, не будет «проплачена», то, думаю, призовое место вашему МАНовцу точно гарантировано.
    • +3
      С этим проблем нет, но конкуренты объективно сильные. И странная/непривычная тематика может излишне удивить жюри
    • +1
      Не совсем. Начиная с областного тура, там идет достаточно строгая отчетность. Все работы (что сами МАНы, что теор. туры) идут «наверх». Так что откровенную лажу продвинуть на призовое не выйдет
      • 0
        Не хочу показаться излишне высокомерным, но я как призер всеукраинского этапа и как человек, который достаточно хорошо знаком с МАНовским сообществом, могу сказать, что продвигали и лажу, и плагиат, и все что угодно. Был даже случай, когда все призовые места (кроме одного-единого) на секции на всеукраинском этапе были проплачены.
        • 0
          У нас секция малопопулярная и сложная
  • 0
    Интересно как делили распределяли работу со школьником?
    • +1
      Как обычно.
      • 0
        Ага, именно так. Он пришел очень рано, с большим запасом по времени, но ближе к финишу подзабил. Изначально предполагалась, что за мной план эксперимента, прототип прибора, редактирование работы и подготовка к докладу, а его доля — литобзор и сборка окончательного варианта. Эксперимент — совместный. В итоге прибор собирал сам, но все остальное так и получилось. В целом, организация рабочего процесса — не самый мой прокачанный скилл
  • 0
    Дипломы менделеевки и межнара позволяют очень льготно поступить вообще в любой университет по всему глобусу.

    Эх, если бы… :)
  • +2
    Повезло Вашему МАН-у, хороший и креативный у него руководитель. Успехов Вам. )
  • +3
    Потрясающая работа, выполнена на хорошем уровне, который не часто встретишь даже среди студентов. Желаю Вам и Вашей команде всяческих успехов и много интересных проектов!
  • +2
    Статья получилась отличная! И очень полезная.
    Узнал, что можно купить приборы для разложения спектра, и есть полезный сайт spectralworkbench.org.
    Получается, что таким образом, как описано в вашей статье, можно узнать состав практически любой жидкости?

    Так как в МАН-е такой понимающий руководитель и преподаватели (надеюсь, что вы не единственный) которые
    кидают в гуглдоковский файл список потенциально интересных и реализуемых на школьном уровне тем,

    и тем более, реализуют их на практике, то дела не совсем уж и плохи, пробьетесь!

    Недавно вспомнил про свой генератор высоковольтных импульсов, вытащил из чулана и немного пострелял в дистиллированную и соленую воду. Разительные отличия. Как оказалось, это также отличный прибор для проверки электронных устройств на работоспособность в условиях сильных помех (компьютер, кстати слаб для работы в таких условиях).

    Если интересно для работы со школьниками, то фотографии находятся в этом альбоме. Там есть и схема устройства, которое собрано также на катушке зажигания. Желательно использовать развязывающий от питающей сети трансформатор. По схеме, в управляющий электрод можно включить динистор. Видео тут, все пояснения под описанием видео. Ни один снимок разряда не повторяется! Все индивидуальны. Даже при выдержке 1/500 секунды наблюдается некоторая смазанность изображения. Если сократить выдержку, уменьшается процент попадания в кадр интересных разрядов. Чтобы получить такое небольшое число сравнительно удачных снимков необходимо делать на порядок большее число кадров. Желательно использовать высокоскоростную камеру (в моем случае обычная зеркалка).

    Удачи вашему воспитаннику на конкурсе, а вам интересных тематик и реализации всех планов!
    • +1
      Узнал, что можно купить приборы для разложения спектра, и есть полезный сайт spectralworkbench.org.
      Получается, что таким образом, как описано в вашей статье, можно узнать состав практически любой жидкости?

      Спектры поглощения жидкостей в околовидимом диапазоне намного более размытые и менее интересные. Кроме красителей в вине вряд ли что-то получится с ходу. А приборы у них на мой взгляд не особо. Из интересного — можно было бы попробовать приспособить вместо камеры линейный CCD-сенсор

      Обычно все идет по накатанной тематике, дети представляют к защите куски статей или диссертаций. Это научно и хорошо, но не для школы, как мне кажется. Там ниже более развернуто ответил в комментарии. По всякой шизе однодумцев на химфаке харьковского университета пока не нашел.

      Желательно использовать высокоскоростную камеру (в моем случае обычная зеркалка).

      Пробовал заснять высокоскоростное видео, но получилось не особо интересно. Щас залью на ютуб, потом подрежу и добавлю в пост
      • 0
        По своему опыту, для такой съемки обязательны:
        — штатив, лучше еще с утяжелителем;
        — дистанционное управление аппаратом, чтобы не трясти (особенно актуально для фото, видео потом обрезается);
        — ручные настройки и тщательный подбор ISO, выдержки, диафрагмы;
        — точная ручная настройка фокуса, желательно использовать вывод на экран фото/видео аппарата с целью максимального увеличения места съемки для точной настройки;
        — приоритет диафрагмы, так как при меньшем диаметре зрачка получается большая глубина резкости;
        — максимальное заполнение кадра объектом съемки, что подразумевает близость к объекту съемки, поэтому также важна защита аппарата от брызг и электромагнитных помех;
        — несколько дублей, чтобы было из чего выбирать.

        Желательно производить съемку с помощником.
      • 0
        Кроме красителей в вине вряд ли что-то получится с ходу. А приборы у них на мой взгляд не особо. Из интересного — можно было бы попробовать приспособить вместо камеры линейный CCD-сенсор.

        А может сделаете такой прибор? Приходит аля Онищенко (не знаю, кто у них сейчас главный) на склад готовой продукции «А дай те как мне вон того вина, постреляю в него импульсным спектрометром!»

        Импульсный преобразователь можно сделать с очень большой скважностью, что положительно скажется на сроке жизни батареек.
        Дифракционная решетка, как я посмотрел, меньше бакса стоит.
        Остается написать методику работы, приложить примеры спектров и вот недорогой анализатор готов. В каких-то экстренных случаях наверняка будет удобен.
        • +1
          Не, там все совсем не так. Атомная эмиссия подразумевает измерение только металлов, причем ограниченного их списка и с точки зрения токсикологии обычно неинтересных. Чтобы получить свечение атома, надо перевести его в пар — т.е. нужна высокая температура. Спектры холодных растворов типа вина формируются совсем по другому принципу, и нагрев там вообще не нужен. Пример — раствор медного купороса. Он сам по себе голубой, потому что поглощает в широкой красно-желтой области. Эти спектры малоспецифичные. Для определения содержания интересующих веществ их обычно переводят в сильно поглощающие продукты реакции, которые и измеряют. Для бухла есть кое-какие другие идейки, но там все сложно и надо продвигать через нормальную науку.
  • 0
    Как начинающего поджигателя воды интересует подробная расшифровка спектра, который получился в вашем эксперименте.
    1. Что там так широко светится левее натрия?
    2. Какой был бы спектр при наличии натрия и калия в воде, пробовали?

    • +1
      1. Светится ионизированный газ. Эффект для атомной эмиссии скорее вредный, тут сверхвысокие температуры будут мешать
      2. У калия узкие, но малоинтенсивные по сравнению с натрием линии 766 нм и несколько в сине-фиолетовой области. С калием не пробовал, потому что гарантированно будут проблемы с фоновым излучением плазмы и чувствительностью камеры. На мой взгляд, с таким оборудованием количественно измерить калий не светит. Да и в минералке его намного меньше, чем натрия
  • +1
    Действительно, повезло школьнику с научруком. Я в 10 классе на МАН делал управление КМОПовским мультиплексором на 80с31. Это было что-то вроде «электронного резистора» с кнопочками. Нажимаешь и на мультиметре меняется сопротивление.
    Полезность данной разработки(вернее ее отсутствие), я понял лишь когда узнал про ШИМ. Но это уже было в институте
    • 0
      Полезность чаще всего достигается ценой потери какой-то нематериальной субстанции, которая заставляет искренне восхититься и сказать «Ой как круто и интересно!» Из местных примеров — посты Барсмонстра по препарированию и попыткам изготовления микросхем. По большому счету пользы 0, но удовольствия автор и читатели получают немеряно. Контрпример — вторая работа из нашей лаборатории. Тема — анализ качества фармпрепарата новым методом. С научной точки зрения работа безупречна. Это реально глава из диссертации, по ней есть несколько приличных публикаций и патент. Практическая применимость — можно идти и внедрять на фармзавод и экономить тем самым деньги и время. Но вот этого кайфа нету. Почему школьнику дали такую тему? Потому что он пришел за три недели до сдачи, времени делать что-то с нуля уже не было. А так получил готовую хорошую работу, сам сделал по ней эксперимент, отлично доложил. Но плохо написал контрольную, поэтому дальше не пошел. Но для десятиклассника все равно отлично, в следующем году наверстает
  • 0
    Судя по этому снимку, в качестве фотоаппарата использовалась модель Casio Exilim EX-ZR100.
    Свет можно разложить в спектр призмой или решеткой. Интуиция подсказала, что решетка удобней в работе, но на всякий случай заказал у китайцев и то и то.

    Можно увидеть ссылки на призму и решетку?
    Но прокатило просто приложить решетку к объективу.

    А призма дошла от китайцев, ее пробовали использовать? Что хуже/лучше?
  • 0
    Можно подробнее узнать про работу с сайтом spectralworkbench.org?

    Английским владею не очень, поэтому интересен готовый опыт. Думаю, что он будет интересен многим, например, можно будет легко увидеть спектр излучения различных ламп, узнать состав элементов в различных веществах, растворах и так далее.

    Может спрашиваю глупость, но от химии далек. В общих чертах я понял так.
    При помощи любой фото-видеоаппаратуры и приспособления для получения спектра (призма, дифракционная решетка, компакт-диск или что-то самодельное, что предлагается на этом сайте) делаем фотографию цветных полосок спектра. После регистрации отправляем фотографию на сайт.
    Что происходит дальше и какой мы получаем результат с сайта? Как работать с этим результатом?
    • +1
      Сначала надо сделать калибровку по лампе дневного света. У нее есть несколько характерных полос, так мы находим соответствие координата пикселя-длина волны. После этого просто гружу фотку на сайт, он выдает csv файл со спектром. Дальше по ситуации
  • 0
    А еще можно второй электрод тоже жидким сделать — в виде капли разбавленной азотной кислоты или исследуемой пробы, свисающей из трубки-капилляра. Тогда медь из электрода не будет светить.
    • 0
      Ярослав Гейровский в середине 20-х предложил пойти дальше. Трубочку берем с капающей ртутью, и даем на нее не постоянное напряжение, а развертку в пределах плюс-минус пары вольт. Металлы из раствора электролизом переходят в ртуть, а это вызывает скачки тока. Метод назвали полярографией, за него в 1959 Гейровский получил Нобелевскую премию
      • 0
        Ну, полярография это да, хороший метод:) второй курс, практикум по аналитической химии… вот было время. Эх...:)
        Кстати, тоже вполне реализуемо со школьниками. Только от РКЭ уйти (нечего детям у ртути делать), например в сторону вращающегося стеклоуглеродного электрода и инверсионной вольтамперометрии.
        А у нас спектрометр с искрой между каплей и поверхностью жидкости, когда капля падает, происходит пробой. Правда, не уверен, что тут получится использовать фотокамеру мобильника — импульс-то короткий. Скорее придется какую-нибудь мыльницу с ручными режимами найти.
        • 0
          Реализуемо, не не кайфово. А вот с падающей каплей мысль хорошая
  • 0
    Спасибо очень интересно.
    А что делал именно школьник?
    • 0
      Бумажный спектроскоп, эксперимент собственно с фиксацией спектров, литобзор
  • 0
    А вот зря градуировочную кривую не привели. Было бы очень интересно поглядеть:)
    • 0
      Она относительно прямая как раз
      • 0
        Еще было бы поучительно, к примеру, взять какой-нибудь литий и в школьной столовой повторить опыт Вуда с бифштексом поглядеть, как влияет добавка натрия на интенсивность линии лития.
        • 0
          Они ж не пересекаются. То есть будут абсолютно независимы
          • +1
            А вот и нет. Влияние весьма заметно — излучение света натрием «отсасывает» энергию из плазмы, вызывая ее охлаждение. В результате интенсивность литиевой линии заметно падает. Мне этот эффект приходится постоянно учитывать при анализе морской воды при небольших разбавлениях — приходится анализ делать не по градуировочному графику, а методом добавок.
            • 0
              Влияние весьма заметно — излучение света натрием «отсасывает» энергию из плазмы, вызывая ее охлаждение.

              Как можно оценить величину охлаждения плазмы в зависимости от количества натрия?
              • +1
                Увы, физика плазмы не есть сильная сторона моих знаний… даже не знаю. Ибо интенсивность излучения в данном случае очень сильно нелинейно (и главное, неизвестно как) зависит от температуры. Во всяком случае, разница в интенсивности кальция в морской воде, разбавленной в 3 раза, и в речной — около 15-20% (точно не помню, надо в журнал заглянуть).
              • +2
                В память врезалась шикарная фраза из вступления к серьезной книге по физике плазмы. Смысл такой: мы, группа маститых ученых, уже 30 лет изучаем плазму. Поскольку что-то за это время узнали, то решили написать книгу. Начали писать, и поняли что знаем очень мало.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.