Главная страница «Первого сентября» • Главная страница журнала «Физика» • Содержание №2/2010

Учебные занятия

Б. Г. Розман,
< noren_22@mail.ru >, Жердевский колледж сахарной промышленности, г. Жердевка, Тамбовская обл.

Физика в природе

Физика изучает простые и наиболее общие формы существования материи – механические, тепловые, электрические, световые – и позволяет убедиться в выполнении физических законов в повседневной жизни, а также применить теоретические знания для разрешения конкретных ситуаций.

Цель урока: мотивировать познавательную деятельность студентов, стимулировать их творческое начало, повышая тем самым качество образования, а также закрепить теоретические знания и практические умения студентов по разделу «Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы».

Задачи урока: студенты должны

– знать: фазовые переходы, расчётные формулы для определения влажности воздуха, иметь представление о взаимосвязи природных явлений;

– уметь: применять расчётные формулы при решении задач на влажность воздуха, водность тумана, составлять уравнение теплового баланса.

Подготовка к уроку. Преподавателем изучена специальная и научно-популярная литература по теме, подобран иллюстративный материал, наглядные пособия, красочные слайды, создана презентация* с использованием эффектов анимации, подобрано музыкальное сопровождение. Студенты, разделившись на группы (физики, лирики, географы, гляциологи), подготовили выступления, повторили темы «Паро­образование и конденсация. Свойства паров. Кипение», «Влажность воздуха. Точка росы», «Характеристика твёрдого состояния вещества. Кристаллы. Виды кристаллических структур», «Плавление и кристаллизация», оформили кабинет (выставка докладов, рефератов, творческих работ по обсуждаемой теме).

Оборудование: раздаточный материал, персональный компьютер, медиапроектор, экран; студентам рекомендовано приготовить микрокалькуляторы.

Ход занятия

1. Организационный этап (2 мин). Преподаватель приветствует студентов, проверяет их готовность к уроку (наличие тетрадей, задачников, раздаточного материала).

2. Сообщение темы, целей, структуры занятия (3 мин).

3. Основная часть урока (80 мин). (Урок состоит из трёх тематических частей – «Туман», «Облака», «Снег и лёд», – посвящённых соответствующему природному явлению. Каждая часть открывается небольшим поэтическим отступлением в сопровождении музыки, интересными сведениями о рассматриваемом явлении. Затем подмечаются особенности явления, наиболее характерные его свойства, выделяются виды. Постепенно от наблюдения переходят к анализу явления, рассмотрению физических механизмов, лежащих в его основе, совершая небольшие исторические экскурсы и решая несложные физические задачи. Активное использование в качестве иллюстративного материала красочных слайдов презентации способствует лучшему усвоению теоретических сведений, облегчает процесс восприятия большого объёма материала.)

Преподаватель. Изучение природы, постижение её законов, раскрытие тайн – всё это всегда волновало и учёных, и поэтов. Сколько поэтических откровений! Сколько серьёзных вопросов! Что даёт человеку изучение природы? Можно ли постичь её законы? Вместе с Николаем Гумилёвым мы могли бы заявить:

Я не печалюсь, что с природы
Покров, её скрывавший, снят,
Что древний лес, седые воды
Не кроют фавнов и наяд.

Многие природные явления вы, уважаемые студенты, не раз наблюдали сами. Например, закаты и восходы, молнию, радугу, волны… О других знаете лишь понаслышке – шаровая молния, полярное сияние, вулканы и гейзеры. Но лишь в редких случаях и лишь наиболее любознательные из вас задумываются: каковы причины этих природных явлений, в чём заключается их физическая сущность? На сегодняшнем занятии мы рассмотрим и объясним такие природные явления, как туман, облака, снег и лёд, а также разрешим некоторые природные загадки.

рис.1

3.1. Туман (25 мин)

Лирик 1.
Туман сочится меж ветвей,
Трава сырая побелела.
Пронизывает до костей
Сырою изморосью тело.
Где спрятаться? Где переждать?
Туманный полог не редеет.
Настанет день. И ночь опять.
А изморось всё сеет, сеет…
Я. Райнис

Лирик 2.
Белеет парус одинокий
В тумане моря голубом.
Что ищет он в стране далёкой?
Что кинул он в краю родном?
М. Лермонтов

Лирик 3.
Любви, надежды, тихой славы
Недолго нежил нас обман,
Исчезли юные забавы
Как сон, как утренний туман.
А. Пушкин

Преподаватель. В наше время туманами интересуются не только поэты и художники. Особенно сильно туманы волнуют диспетчеров аэропортов, лётчиков, капитанов кораблей, водителей автомашин и, конечно, синоптиков. Видимость до 1 км означает, что туман слабый; несколько сотен метров – умеренный, а при сильном тумане видимость составляет несколько десятков метров. Тогда временно закрываются аэродромы, встают на якорь суда, замедляется движение на дорогах.

Туманы хорошо знакомы как городским, так и сельским жителям. Селяне рады туману: они знают, что ранней весной он предвещает потепление, туман на утренней заре летом связан с выпадением росы.

Хорошо знакомы с туманами жители Лондона, Парижа, Лос-Анджелеса, Токио, где слово «туман» нередко связывают со словом «смог». В такой туман трудно ходить по улицам, дышать, говорить.

Блиц-опрос «Что вы знаете о тумане?»

Физик 1. Туман представляет собой скопление мелких капелек воды (при температуре ниже –20 °С – мелких водяных кристалликов). На слайде 1 – фотография тумана, снятая при значительном увеличении. Диаметр капелек тумана – от 0,5 мкм до 10 мкм. Если диаметр капелек меньше 1 мкм, то туман называют дымкой, если порядка 100 мкм, – моросью.

Физик 2. Массу водяных капель в единице объёма тумана называют водностью тумана. Эта величина измеряется в г/м3. Обычно водность тумана не превышает 0,1 г/м3. Это число кажется очень маленьким, но на самом деле воды в тумане достаточно, чтобы оросить поле.

Задача 1. Слой тумана имеет толщину 10 м, площадь поля 5 км2, водность тумана 0,1 г/м3. Найдите объём воды в этом слое тумана.

Дано:

h = 10 м,

S = 5 км2,

ρ = 0,1 г/м3,

ρв = 1000 кг/м3.

СИ

 

5 · 106 м2

  

10-4 кг/м3

Решение

Объём слоя тумана: V = h · S; V = <...> = 5 · 107 м3.

Масса воды в тумане: m = ρ · V; m = <...> = 5 · 103 кг.

Объём воды: Vв = m/ρв; Vв = <...> = 5 м3.

Ответ. 5 м3, или 5000 л.

Vв – ?

 

Преподаватель (организует фронтальную беседу). Прежде чем переходить к объяснению физики возникновения тумана, дайте определения следующим понятиям: точка росы; абсолютная влажность; относительная влажность; испарение; конденсация; динамическое равновесие жидкости и пара; насыщенный пар.

Физик 2. На слайде 2 показан график зависимости плотности насыщенного пара от температуры. Если температура повысится, пар станет ненасыщенным; испарение начнёт преобладает над конденсацией. Если же температура понизится, пар станет пересыщенным, лишняя влага начнёт конденсироваться, возникнет туман. Надо понимать, что лишь очень небольшая часть водяных паров превращается в туман.

Физик 1. Условия возникновения тумана следующие: наличие пересыщенного пара, достаточно большое содержание в воздухе ядер конденсации – центров, на которых происходит конденсация пара (их роль играют ионы, капельки воды, пылинки, частички сажи).

Преподаватель. В некотором смысле явление тумана есть то же, что и явление выпадения росы. Отличие состоит лишь в том, что роса выпадает не на поверхности земли, листьях, травинках, а в объёме воздуха.

Задача 2. Относительная влажность воздуха вечером при 12 °С равна 55%. Выпадет ли роса, если ночью температура понизится до 2 °С?

Дано:

t1 = 12 °С,

DH1 = 10,7 г/м3,

ψ = 55%,

t2 = 2 °С,

DH2 = 5,6 г/м3.

Решение

Относительная влажность воздуха вечером (D1· 100%)/DH1, отсюда абсолютная влажность воздуха при 12 °С: D1 = (DH1· ψ)/100%;

D1 = <...> = 5,855 г/м3.

Сравним: D1 > DH2, значит, лишняя влага выпадет в виде росы.

D1 – ?

 

3.2. Облака (25 мин)

Лирик 1. Плыли по небу тучки.
Тучек – четыре штучки:
От первой до третьей – люди,
Четвёртая был верблюдик.
К ним, любопытством объятая,
По дороге пристала пятая;
От неё в небосинем лоне
Разбежались за слоником слоник.
В. Маяковский

Лирик 2. Я землёй рождено, я водой вспоено,
Взращено средь небесной равнины.
Отдыхаю в горах, исчезаю в морях;
Я меняюсь, и нет мне кончины.
П. Шелли

Лирик 3. Вышло облачко высоко,
Стало тонкое, сквозное,
Улыбнулось одиноко –
И угасло в ярком зное.
И. Бунин

Преподаватель. В толковом словаре В.И. Даля дано короткое и точное определение облака: «Облако – туман в высоте». Облако, как и туман, представляет собой взвесь в воздухе мелких капелек воды (слайд 4); оно также может содержать кристаллики льда или полностью состоять из них.

Географ 1. На слайде 5 показаны четыре слоя земной атмосферы (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера) и изображена кривая, отражающая изменение температуры воздуха с высотой.

Географ 2. Для образования облаков нужно, чтобы воздух был влажным и чтобы происходило достаточно сильное понижение температуры воздуха. Так как обоим этим условиям удовлетворяет тропосфера, то почти весь облачный покров Земли сосредоточен в этом слое.

Географ 3. На слайдах 6, 7 мы видим облака разного типа. На туман похожи слоистые облака: они образуются близко от земной поверхности и представляют собой белёсые или сероватые горизонтальные полосы. Толщина слоистого облака от 100 м до 1 км. Они часто возникают на склонах гор; осадки из них не выпадают.

Географ 1. Слоисто-дождевые облака тёмно-серые, плотные; их толщина порядка 1 км. Эти облака дают дождь и снег. Слоистые и слоисто-дождевые облака – это облака нижнего яруса.

Географ 2. К облакам среднего яруса относят высококучевые, они обычно целиком состоят из ледяных кристалликов.

Географ 3. Ещё более высоко образуются облака верхнего яруса – перистые. Они похожи на различные фигурки. Облака состоят из кристалликов и не дают осадков.

Географ 1. Все эти виды облаков сильно развиты в горизонтальном направлении и слабо в вертикальном. Горизонтальная протяжённость их достигает от 100 до 1000 км; время существования – до нескольких суток.

Географ 2. К облакам вертикального развития относятся кучевые облака хорошей погоды и кучево-дождевые облака. Высота кучево-дождевых облаков достигает 10–15 км. Время их «жизни» – несколько часов.

Географ 3. На высоте около 30 км можно обнаружить перламутровые облака (видны на закате), а на высоте около 80 км – серебристые облака.

Историк. Впервые серебристые облака наблюдал приват-доцент Московского университета В.К. Цераский ранним утром 12 июня 1885 г. Он заметил на предрассветном небе необычные, светящиеся полосы. Оказалось, что светиться их заставляет либо ещё не опустившееся за горизонт, либо ещё не поднявшееся из-за горизонта солнце. Чем длиннее сумерки, тем больше вероятность увидеть серебристые облака.

Преподаватель. Прежде чем рассматривать процесс образования облаков, проведём физический диктант. Затем я продиктую правильные ответы, а вы проверите работы друг у друга.

Физик 1. Процесс образования облака начинается с того, что влажный воздух поднимается вверх. По мере подъёма происходит адиабатное расширение воздуха, и он охлаждается. Когда температура воздуха понизится до точки росы, начинается процесс конденсации пара.

Физик 2. Что заставляет воздух подниматься вверх? Во-первых, конвекция – в жаркий день солнечные лучи сильно подогревают земную поверхность, и она передаёт тепло воздушным слоям. Так образуются облака конвекционного происхождения.

Физик 1. Во-вторых, ветер, дующий в горизонтальном направлении, встречает на своём пути природные возвышения (горы) и перемещает воздушные массы вверх. Это облака орографического происхождения.

Преподаватель. При определённых условиях из облаков выпадают осадки: дождь, снег, град. Дождевая капля падает вниз под действием силы тяжести. По мере падения скорость её возрастает, но пропорционально увеличивается и сила сопротивления воздуха. Когда Fтяж = Fсопр, капля начинает падать равномерно. Скорость равномерного падения капли определяется формулой: формула1 где ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения, R – радиус капли, η – вязкость воздуха.

Задача 3. Найдите скорость равномерного падения капли радиусом 10 мкм, если вязкость воздуха 1,8 · 10–5 кг/(м · с).

Дано:

R = 10 мкм,

η = 1,8 · 10–5 кг/(м · с),

ρ = 103 кг/м3,

g = 9,8 м/с2.

СИ

10–5 м

 

  

 

Решение

υ = <...> ≈1,2 см/с.

Ответ. υ ≈1,2 см/с.

υ – ?

 

3.3. Снег и лёд (25 мин)

Лирик 1. Чудная картина,
Как ты мне родна:
Белая равнина,
Полная луна,
Свет небес высоких,
И блестящий снег,
И саней далёких
Одинокий бег.
А. Фет

Лирик 2. А я всё гладил снег рукой,
А он всё звездами отсвечивал…
На свете нет тоски такой,
Которой снег бы не излечивал.
С. Островой

Лирик 3. Яркий снег слепит глаза людей,
Белый снег, он серебра белей,
Он своей поспорит белизной
С мягкой ватой, с рисовой мукой.
Лю Дабай

Преподаватель. Поистине снег – один из удивительнейших феноменов природы. Снег и лёд – это, в сущности, одно и то же. Если положить снежинку под микроскоп, можно убедиться, что она состоит из маленьких льдинок. И снег, и лёд изучает одна и та же наука – гляциология.

Гляциолог 1. Снежинки развиваются из мелких ледяных кристалликов, имеющих форму шестигранников. В процессе движения внутри ледяного облака кристаллики растут за счёт перехода водяного пара в твёрдую фазу.

Гляциолог 2. В результате могут образоваться снежинки-столбики, снежинки-иглы, шестиугольные пластинки, шестиугольные звёздочки… Существует коллекция фотографий снежинок, в ней более 5 тысяч снимков.

Гляциолог 3. В безветренную погоду образуются снежные хлопья диаметром до 10 см. При температуре ниже –30 °С ледяные кристаллики выпадают в виде «алмазной пыли».

Преподаватель. Итак, снежинки имеют кристаллическое строение. Предлагаю сыграть в игру «6 вопросов о кристаллах»: • Что такое анизотропия? • Чем отличается монокристалл от поликристалла? • Охарактеризуйте атомную и ионную кристаллические решётки • Охарактеризуйте молекулярную и металлическую кристаллические решётки • Перечислите основные дефекты кристаллической решётки • Что такое аморфные тела?

Гляциолог 1. На слайде видно, как изменяется характер снежного покрова в зависимости от времени. Рыхлый свежий снег постепенно слёживается, превращается в уплотнённый снег, и, наконец, может стать фирном – очень плотным крупнозернистым снегом.

Преподаватель. Мы привыкли воспринимать снег как нечто очень хорошо знакомое. А так ли хорошо мы с ним знакомы? Давайте устроим «горячую линию» с учёными-гляциологами!

«Горячая линия»: • Чему равна масса снежинки и масса всего снега? (Масса снежинки ≈0,001 г; масса всего снежного покрова, площадь которого занимает 20% суши, достигает 13 500 млрд т.) • Почему снег белый? (Снег полностью отражает свет.) • Почему снег со временем темнеет? (На нём оседает пыль и сажа, он поглощает солнечное тепло и подтаивает.) • Почему зимой холодно? (Отчасти из-за того, что снег отражает до 90% солнечных лучей, земля получает меньше энергии. • Почему снег в мороз скрипит под ногами? (Скрип снега – это шум от раздавленных снежинок.) • Как слепить прочный снежок? (При температуре ниже –10 °С это не удастся, т. к. снег должен быть влажным. Когда мы сжимаем такой снег, образуется вода. Подмерзая, она образует прочные ледяные мостики. Чем сильнее сжимаем снег, тем прочнее снежок.)

Преподаватель. Человек издавна использует свойства снега для решения практических задач. Предлагаю в этом убедиться. (Ученик делает сообщение «Практическое снеговедение».) Путешественники, как известно, нередко попадают затруднительные положения. Такая ситуация описана у Ж. Верна в приключенческой повести «Путешествие и приключения капитана Гаттераса». Несколько человек вынуждены были жить в снежном доме, запасов пресной воды у них не было, и они получали её из снега и льда. Поможем нашим героям выйти из затруднительной ситуации, для этого решим задачу.

Задача 4. Сколько дров нужно сжечь в печке с КПД 40%, чтобы растопить 200 кг снега, взятого при температуре –10 °С.

Указания. Запишите условие, внесите в него дополнительные данные (см. таблицы в задачнике [2]): удельную теплоту сгорания дров; удельную теплоёмкость льда; удельную теплоту плавления льда. • Выразите количество теплоты Q1, необходимое для нагревания 200 кг снега от –10 °С до температуры плавления 0 °С. • Выразите количество теплоты Q2, необходимое для плавления 200 кг снега. • Выразите количество теплоты Q, отданное при сжигании дров с учётом КПД. • Составьте уравнение теплового баланса: Q = Q1 + Q2. • Выразите искомую величину – массу дров m. • Задачу решите дома с учётом указаний.

рис.2

Преподаватель. Сегодня мы лишь чуть-чуть приоткрыли дверь в загадочный и интересный мир – мир природы. Призываю вас внимательнее присматриваться к природным явлениям и процессам, стараться самостоятельно их объяснить. Применяйте физические законы не только на уроках физики, но и при изучении географии, биологии, химии, литературы. Будьте любознательны!

 

Литература

  1. Дмитриева В.Ф. Физика: учеб. пособие для техникумов / Под ред. В.Л. Прокофьева. М.: Высшая школа, 1999.
  2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике для 9–11 кл. средней школы. М.: Просвещение, 2000.
  3. Луннов Г.Д. Опорные конспекты и тестовые задания по физике. 11 кл.: кн. для учителя. М.: Просвещение, 1995.
  4. Тарасов Л.В. Физика в природе: кн. для учащихся. М.: Просвещение, 1988.
  5. Физика: учеб. пособие для 11 кл. средней школы / Н.М. Шахмаев [и др.] М.: Просвещение, 1993.

Белла Георгиевна Розман – преподаватель физики и математики. Уже четыре года преподаёт физику студентам специальности «Коммерция». В отличие от студентов технических специальностей коммерсанты почти не используют полученные знания при изучении специальных дисциплин. Основной своей задачей считает заинтересовать студентов, привить им навыки организации исследовательской деятельности, расширить кругозор. Поэтому широко применяет на занятиях компьютер, проектор, интерактивную доску, Интернет-ресурсы, старается сообщать студентам интересные дополнительные сведения (например, при изучении темы «Электрический ток в газах» рассказывает об огнях св. Эльма, Летучем Голландце, демонстрирует фрагменты фильма «Пираты Карибского моря» и т. д.).


* Интерактивная презентация с эффектами анимации, а также методическое сопровождение, приводятся в электронном виде – Ред.