Мероприятие "Экскурсия по физике в зимний день"

Зимний день, проведенный на природе, может дать много тем для наблюдения, обсуждения, исследования физических явлений и законов.

Сказочный зимний пейзаж. Выпустите изо рта воз­дух. Обычно он прозрачен, но в морозный день стано­вится видимым. Выдыхаемый воздух насыщен водя­ным паром, который на морозе мгновенно остывает и конденсируется в маленькие капельки воды, которые рассеивают свет.

Картину завораживающей красоты можно наблю­дать на берегу незамерзающего ручья, полыньи, про­руби. Даже в сильный мороз идет активное испарение воды с поверхности, поскольку она теплее окружающего воздуха. Испарившаяся вода конденсируется, за­мерзает и превращается в пушистый иней на свисаю­щих над ручьем ветках деревьев. Ветки деревьев – хорошие центры кристаллизации. Над прорубью или незамерзшим ручьем всегда стоит туман. Яркий при­мер кристаллизации воды, содержащейся в воздухе в виде пара, – образование снежных узоров на холодной поверхности окна.

Другой пример кристаллизации - образование ле­дяных «цветов». Их можно наблюдать при первых за­морозках, когда земля еще не покрыта снегом. Как правило, «цветы» из инея появляются на рыхлой, теп­лой, слегка влажной почве при резком похолодании. Содержащаяся в воздухе влага быстро замерзает, обра­зуя на земле причудливые узоры.

Испарение. Испарение происходит не только с по­верхности жидкости, но и с поверхности твердого ве­щества. Действительно, зимой хозяйки сушат белье на улице. Мокрое белье вначале «замерзает», а затем лед постепенного испаряется. Правда, некоторое количество влаги все же сохраняется. Это становится заметным, когда хозяйка приносит белье домой, и оно оттаивает. Надо заметить: если температура воздуха близка к 0^оС, то процесс сушки малоэффективен, т.к. воздух влаж­ный. А морозный воздух сухой. Чем сильнее мороз, тем меньше водяного пара он содержит. Весь избыток влаги из воздуха удаляется переходом пара в ледяные кристаллики. Поэтому испарение льда идет активно.

В марте активно идет испарение снега в природе, даже в морозные дни. Воздух в это время имеет осо­бый, необыкновенный запах.

Расширение воды при замерзании. Вода обладает отличительным свойством: замерзая, изменяет свою структуру и объем. При подготовке к зиме садоводы до заморозков слива­ют воду из водопроводных труб, чтобы они не лопнули. Сильные морозы называют еще трескучими. Своим названием они обязаны следующему явлению. Стволы деревьев имеют трещины, которые заполняет вода во время осенних дождей. Зимой она застывает. Образо­вавшийся лед разрывает древесину, раздаются звуки, похожие на треск.

Давление. Чистый лед и снег тают при температу­ре 0^оС. Однако с увеличением давления температура таяния снега понижается.

Если вы пройдетесь по первому снежку, то остави­те после себя мокрый след, – снег под давлением рас­тает. Катание на коньках, лыжах сопровождается так­же таянием снега и льда под давлением. Образуется жидкая «смазка», которая улучшает скольжение. Лю­бители зимних видов спорта из опыта знают, что при сильном морозе скольжение хуже.

Кто не любит играть в снежки или лепить снеж­ные фигуры?! Эти забавы также связаны с понижени­ем точки плавления снега под давлением. Очевидно, что лепить из снега в морозный день не удается.

Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изу­чать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказыва­ет на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы ее щенков. Мыши, ласки оставляют неглубокие черточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры это помогает им зимой при передвижении по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.

Сугробы на деревьях. После снегопада лес долго стоит, покрытый шапками снега. Они могут быть на­столько тяжелыми, что под ними ломаются ветки де­ревьев. Образование таких снежных сугробов на дере­вьях связано в первую очередь с формой снежинок. Острые, игольчатые выступы снежинок цепляются одна за другую. Их удерживает сила трения, которая зна­чительна. К тому же под действием силы тяжести со­здается большое давление, снег подтаивает и вновь смерзается с образованием еще более прочной конст­рукции. Процессы, которые происходят внутри снеж­ных шапок, намного сложнее – подтаивание и замер­зание, испарение и кристаллизация.

Таяние снега в морозный день. Снег тает не только в оттепель, но и в солнечные дни, преимуществен­но мартовские, когда на улице небольшой мороз. Кры­ши домов имеют скат. Если солнце стоит достаточно высоко, то его лучи падают на кровлю почти перпен­дикулярно и сильно ее нагревают. Под снегом образу­ется талая вода. Кроме того, дома отапливаются, тепло внутренних помещений передается стенам и крыше зданий. По этой причине температура крыш может быть на несколько градусов выше, т. е. может оказать­ся положительной, достаточной для таяния лежащего на крыше снега. Вода стекает с крыши капельками. Капелька из-за поверхностного натяжения не может сразу оторваться от крыши. Поскольку на улице мо­роз, она успевает превратиться в лед. Новая капля сте­кает по первой и замерзает в самой ее нижней точке. Процесс наращивания заканчивается образованием со­сульки. Сосульки образуются, как правило, с южной стороны крыши.

В марте любители лыжных прогулок покрываются приятным солнечным загаром. Во-первых, мартовские лучи падают достаточно круто, во-вторых, отражаются от снега. Несмотря на легкий мороз, на лыжне можно встретить загорающих людей. В начале и в конце зимы можно наблюдать такую картину – около стволов оди­ночных деревьев образуются в снегу лунки. Их еще называют затайками. Солнце нагревает своими луча­ми стволы деревьев. Их темный цвет способствует по­глощению лучистой энергии. Теплопроводность дере­ва небольшая, поэтому тепло передается в окружаю­щее пространство излучением. Оно поглощается сне­гом у комлей, поэтому в этих местах теплее, снег под­таивает, образуя лунки.

Соленый снег. При смешивании соли со снегом на­блюдаются два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, который происходит с поглощением тепла, и гидратация ионов. Последний процесс проис­ходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый про­цесс превалирует над вторым. Поэтому при смешива­нии снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Еще одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0^оС. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже ООС, его посыпают этими солями.

Несколько слов о соленом льде в природе. Морской лед жители севера употребляют в пищу. Но лед они выбирают старый, многолетний. Он малосоленый. Свежезамерзший морской лед соленый. Соляной ра­створ в глыбе льда помещается в своеобразные ячейки, которые перемещаются вниз под действием силы тя­жести. Если лед плавает в океане, то его соленый ниж­ний слой растворяется, т.к. температура воды в океане выше температуры атмосферы. Лед, таким образом, опресняется. Если льдина лежит на земле, то также происходит ее опреснение. Поскольку температура зем­ной поверхности выше атмосферной, то нижний слой подтаивает, и соль выходит наружу.

Снежинки. В тихие морозные дни не бывает обиль­ного снегопада, снег падает отдельными кружащимися снежинками. Все они разные, одна красивее другой, в форме пластинок – симметричных шестиугольных звез­дочек. Иоганн Кеплер изучал строение снежинок и ус­тановил, что их лучи расходятся строго под углом 60^о. Все шесть концов снежинки совершенно одинаковы, что связано со структурой молекул воды. Снежинки со­стоят из мелких ледяных кристалликов. Разнообразие форм снежинок огромно, насчитывается несколько ты­сяч! Существуют любопытные коллекции их фотогра­фий. При сильном ветре у снежинок обламываются лучи, и звездочки превращаются в снежную пыль. Если мо­роз небольшой, а погода тихая, то падающие снежин­ки сцепляются друг с другом, образуя крупные хло­пья. В ветреную погоду чаще выпадает снежная крупа, т. е. мелкие снежные шарики, – ледяные  кончики снежинок активно испаряются. Встречаются снежин­ки в виде длинных игольчатых кристаллов. Вероятно, такая льдинка попала в глаз Каю, герою сказки «Снеж­ная королева!». Еще бывают снежинки в виде шести­гранных столбиков – гексагональные призмы. Быва­ет, что они срастаются, образуя столбчатые батареи. Иглы и призмы встречаются нечасто.

Изучать полет снежинок можно как на улице, так и из окна квартиры. Выберите одну звездочку-снежин­ку и наблюдайте за ней. Снежинка долго будет в поле вашего зрения. Она парит в воздухе, то опускаясь вниз, то поднимаясь вверх. Ее траектория не будет прямой линией, как у капель дождя или града. Движение сне­жинки ближе к движению броуновской частицы.

Ответ на вопрос, почему так ведут себя снежинки, подскажет тень, которую отбрасывает окно на противо­положную стену. В солнечный день вы можете увидеть колебания прозрачного воздуха. Это восходящие атмос­ферные тепловые потоки. В обычных условиях их труд­но наблюдать из-за прозрачности и однородности возду­ха. В снегопад легкие снежинки могут сделать видимы­ми восходящие потоки. Подъемы и спуски снежинок возможны потому, что площадь поверхностей снежинок-шестигранников значительна, а масса мала. Полет сне­жинок напоминает полет планера в потоках воздуха.

Радуга зимой. Гало. Наблюдать радугу летом после дождя – дело привычное. В морозный день можно наблюдать цветные круги около Солнца и Луны. Это явление дифракции на ледяных иголках в воздухе. В вечернее время, когда идет снег, можно наблюдать дифракцию вокруг уличных фонарей.

Днем, 27 декабря 2002 г. в Москве, можно было наблюдать Солнце, окруженное семицветным кольцом. Стоял мороз ниже -20^оС, отдельные снежинки кружи­лись в небе, и можно было наблюдать исключительно редкое для этой широты явление – гало. Гало могут выглядеть как светящиеся кольца, кресты, столбы, ложные солнца или луны – два, четыре, восемь. Оно наблюдается, когда в воздухе присутствуют одинаково направленные, ледяные кристаллики в виде шести­гранных призм. Это происходит достаточно редко. Физическое объяснение гало: преломление света в ле­дяных кристалликах и отражение света от их граней. Преломление и дисперсия приводят к окраске круга. При отражении образуются белые элементы гало. По своей природе гало родственно радуге.

Цвета снега. Снег ассоциируется у нас с кипенно­-белым цветом. Но зоркие глаза художника видят мно­гоцветие красок в белом, находят красоту в простом и обычном. Снег на картине А.А.Пластова «Первый снег» чистый, белый, воздушный. Праздник красок в изображении снега на холстах Б.М.Кустодиева «Мас­леница», В.И.Сурикова «Взятие снежного городка». На картинах И.3.Грабаря «Февральская лазурь» и «Мартовский снег» он голубой, испещренный синими тенями. у В.А.Серова на картине «Кони на водопое» ­снег синий. А.К.Саврасов на картине «Дворник» изоб­разил мартовский снег пожелтевшим, затоптанным и запачканным рядом с человеческим жильем. У Ф.А.Васи­льева на картине «Оттепель» снег набухший, почерневший от влаги.

В морозный солнечный день снег не чисто белый, а желтовато-розового оттенка. Обратите внимание на тень. Она... синяя! В пасмурный день снег ослепительно бе­лый, в оттепель принимает серый оттенок. В марте снег голубой. Цвет снега зависит от времени суток, от тем­пературы и влажности воздуха, от облачности неба и от месяца года.

Взглянем на снег глазами физика и попробуем объяснить такое различие цветов. Почему снег белый, хотя состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда – снежинок, – мы уже объяснили выше. Объяс­нили и искристость снега. А как объяснить разный цвет снега в зимние месяцы? Электромагнитные вол­ны солнечного излучения частично поглощаются, час­тично рассеиваются земной атмосферой. Сильнее рассеиваются короткие сине-голубые волны. Этим, кстати, объясняется голубой цвет неба. Чем больший путь проходит свет в атмосфере, тем сильнее различается он по спектральному составу. Высота солнца над гори­зонтом зимой меньше, чем летом, поэтому путь сол­нечных лучей через атмосферу зимой длиннее. Кроме того, в зимнем воздухе много ледяных иголок, кото­рые особенно сильно поглощают короткие сине-зеле­ные волны, но пропускают длинноволновые красные. Вот почему снег бывает розово-желтым – он освеща­ется таким светом! Мартовский снег преимуществен­но голубой, он отражает голубое небо.

Почему тень на снегу синяя? Дело в том, что в область тени попадает отраженный от снега свет, а это в первую очередь отражение голубого неба.

Необходимо сказать и о дополнительных цветах. В пасмурный день снег ослепительно белый. Действи­тельно, снежный покров освещается проходящим све­том желтоватого цвета и отраженным от неба синева­тым. Поскольку эти цвета являются дополнительны­ми, то суммарный цвет белый.

Снег бывает и бесцветным.

Белый свет - сложный. И.Ньютон доказал это, разложив свет в спектр с помощью стеклянной при­змы, можно наблюдать разложение света, не пользуясь приборами. В морозный солнечный день снег, словно россыпь бриллиантов, сверкает разноцветными огнями. Мы наблюдаем разложение света (дисперсию) в круп­ных снежинках. Снежинки шестигранные, их иголоч­ки – ледяные прозрачные призмы. Световой луч, по­падая на грани призмы, частично отражается. Большая же часть света преломляется, входит в кристаллик льда, неоднократно отражается от внутренних граней и вы­ходит наружу, но уже не белым, а цветным пучком.

Полное внутреннее отражение. Обратите внимание на замерзшую лужу. Лужа подо льдом черная. Однако в некоторых местах лед серебристый - там, где подо льдом образовалась прослойка воздуха, свет испытыва­ет полное внутреннее отражение. Па­дающий свет отражается, лед в этих местах белый.

Как объяснить, что снег белый, хотя он состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда - снежинок? Снег пушистый. Это означает, что каждая снежинка окружена воздухом. Так как острые иголочки снежин­ки имеют большое количество отражающих поверхнос­тей, то весь падающий свет отражается как от внешних, так и от внутренних граней, и не проходит сквозь тол­щу снега. Мы наблюдаем полное внутреннее отражение света от снега. Поэтому он ослепительно белый. Свеже­выпавший снег отражает более 90% Падающего света.

Старый снег уплотняется, уменьшаются воздушные зазоры, снег темнеет. Белизна снега зависит от его плотности. Плотность снега может меняться от 30 до 800 кг/м³.

В оттепель снег пропитан водой, воздушные поры исчезают, отражение света существенно уменьшается, часть солнечных лучей глубоко проникает в него и поглощается. Снег темнеет. В подтверждение сказан­ному можно провести следующее исследование.

Теплопроводность. Способность живых существ за­щищаться от холода. Снег представляет собой рыхлую структуру, пронизанную воздухом. Теплопроводность воздуха крайне низкая, поэтому и снег имеет малую теплопроводность. Это достоинство, т. к. для живой природы снежный покров служит теплым одеялом, спасает от морозов. Надо отметить, что с увеличением плотности снега его теплопроводность повышается. У льда она максимальна. Свойство снега сохранять тепло используется человеком в условиях Крайнего Севера для строительства. Постройки из снежных кирпичей – их называют иглу – прочны, светлы, пропускают воздух, изолируют от мороза и ветра, долговечны, не требуют никаких материальных затрат, легко и быстро возводятся. Главный инструмент при строительстве ­ножовка. Для возведения иглу не требуется связую­щих материалов. Снег под давлением подтаивает и тут же замерзает, образуя монолит.

Обратите внимание на птиц. Мелкие пташки ­воробьи, синицы, снегири - зимой похожи на пушис­тые комочки с торчащими острыми клювиками. Они распушили свое оперение и окружили себя неподвиж­ным слоем плохо проводящего тепло воздуха. Таким способом птицы спасаются от мороза. Мудрая природа распорядилась так, что относительная длина перьев у маленьких птиц больше, чем у крупных. Маленькие птицы теряют больше тепла, им нужна лучшая защи­та от холода.

Теплопроизводительная способность живого суще­ства зависит от объема тела, а потери тепла - от пло­щади его поверхности. У мелких животных и детены­шей соотношение потерь тепла к притоку больше, чему крупных, Т.е. они поставлены в худшие условия. Дети должны замерзать быстрее, чем взрослые, но их спасает большая подвижность.

У человека замерзают быстрее всего конечности, уши и нос, Т. к. эти части тела имеют тонкие стенки, а также маленький объем и большую площадь.

Зимняя одежда человека - меховая или из рых­лых материалов (войлок, пух, ватин). Волокно облада­ет достаточно высокой теплопроводностью, но воздух между волокнами плохо проводит тепло. Роль зимней одежды – не «выпустить» тепло из тела. Для утепле­ния домов используют двойные рамы с толстой про­слойкой воздуха между ними.

В морозный день дотроньтесь рукой до металличес­кого предмета. Она прилипнет! Если вы прикоснетесь к деревянному предмету, этого не произойдет. С точ­ки зрения физики все легко объясняется. Металл об­ладает высокой теплопроводностью и активно отводит тепло от руки. Но она влажная, влага замерзает – и рука примораживается. Ни в коем случае не проводи­те эксперимент с языком, дело кончится печально!

Звук. В морозный день слышен скрип снега под ногами. Он связан со звуком раздавливаемых снежи­нок-льдинок. Чем крепче мороз, тем тверже становят­ся льдинки, тем громче звук и выше тон.

Электризация. Быстро, летящий снег электризует­ся. Он переносит электроны. Поэтому в снежные бури железные предметы, проволочные изгороди, самолеты заряжаются отрицательно, причем на них может на­капливаться такой заряд, что представляет опасность для людей и животных.