Реферат на тему «Физические явления в природе»

Введение

Осенью 1648 года Флорен Перье, зять Блеза Паскаля, взобрался на гору Пюи-де-Дом во Франции с запаянной стеклянной трубкой, в которой была ртуть. Внизу, в городе Клермон, столбик стоял на одной высоте, а на вершине, примерно на километр выше, опустился примерно на три дюйма. Паскаль ждал этого результата: если воздух имеет вес, то наверху его над нами меньше, и давит он слабее.

Опыт стоил одного дня пути пешком. Зато после него спорить о «боязни пустоты», которой тогда объясняли поведение ртути, стало трудно. Для нас эта история важна по другой причине: природные явления можно не только наблюдать, но и проверять, иногда очень простыми средствами.

Физические явления в школе раскладывают по группам, и это удобно. Ниже таблица с шестью группами и примерами, которые легко найти за окном.

Таблица 1 – Группы физических явлений и примеры из природы

Примечание — группы выделены так, как это принято в школьном курсе физики; в реальном явлении обычно участвует сразу несколько групп.

В одном реферате все шесть не уместить. Мы взяли механические и тепловые, потому что с ними сталкиваешься буквально на каждой прогулке. Первая глава описывает сами явления. Во второй смотрим, как они влияют на погоду, реки и живые существа.

Есть тут и практическая сторона. Оползень, заморозок на огороде, внезапный ветер с моря объясняются законами из 7–8 класса. Понимать их полезно хотя бы для того, чтобы не удивляться прогнозу погоды.

Глава 1. Основные физические явления в природе

1.1 Механические явления

Механическим называют любое изменение положения тела относительно других тел. Под это определение подходит почти всё, что движется вокруг нас: плывущие облака, белка, перепрыгивающая с ветки на ветку, падающая в траву шишка.

Хороший пример — дождь. Капля срывается с облака на высоте одного-двух километров, и если бы воздуха не было, к земле она подлетала бы со скоростью в сотни метров в секунду. На самом деле крупная капля падает со скоростью около 9 м/с, а мелкая морось и того медленнее.

Дело в сопротивлении воздуха, которое растёт вместе со скоростью капли. Когда сила сопротивления сравнивается с силой тяжести, ускорение пропадает, и дальше капля летит равномерно (это хорошо видно, если смотреть на дождь на фоне тёмной стены). Туман по той же причине может висеть над лугом часами: его капельки настолько малы, что почти не падают.

Град устроен иначе, он плотнее и тяжелее, поэтому тормозится хуже. Градины размером с грецкий орех бьют по крышам машин и теплицам, и в сводках метеорологи указывают их диаметр в миллиметрах.

С реками связана интересная история. В 1857 году академик Карл Бэр, изучавший рыболовство на Волге и Каспии, обратил внимание, что у рек, текущих с севера на юг, правый берег чаще всего высокий и обрывистый, а левый низкий. Волга подходит под это правило очень хорошо: справа Жигули и саратовские кручи, слева равнинное Заволжье.

Бэр связал это с вращением Земли, из-за которого в Северном полушарии движущаяся вода слегка отклоняется вправо и подмывает правый берег. Сейчас считают, что эффект существует, но он слабый, и строение берегов больше зависит от горных пород и истории долины. Тем не менее «закон Бэра» до сих пор упоминают в учебниках географии.

Есть и более простая причина обрывов. На изгибе русла вода по инерции продолжает двигаться прямо и сильнее давит на внешний берег, размывая его, а у внутреннего берега течение слабее, и там откладывается песок. Отсюда типичная картина: крутой берег с норками ласточек-береговушек и песчаная отмель напротив.

Оползни тоже относятся к механическим явлениям, причём к опасным. Склон держится благодаря трению между слоями грунта, а после долгих дождей вода заполняет поры, трение уменьшается, и пласт земли сползает вниз вместе с деревьями и постройками. В Сочи и в Ульяновске на волжском склоне оползни случаются регулярно, и за склонами там наблюдают с помощью приборов.

Волны на воде легко понять неправильно. Кажется, что вода бежит к берегу, но частицы воды на самом деле движутся по небольшим окружностям почти на одном месте, а вперёд перемещается только сама форма волны. Поэтому щепка на волне больше качается вверх и вниз, чем плывёт к берегу.

1.2 Тепловые явления

Основные понятия термодинамики

В XVIII веке шотландский химик Джозеф Блэк заметил вещь, которая сегодня кажется очевидной. Лёд при нагревании тает, но температура смеси воды со льдом не растёт, пока весь лёд не растает. Куда девается тепло?

Блэк назвал его «скрытой теплотой». Теперь мы говорим про удельную теплоту плавления.

Он же ввёл понятие теплоёмкости. Разные вещества, получив одинаковое количество тепла, нагреваются по-разному. Посмотрите на рисунок 1, там удельная теплоёмкость нескольких веществ, которые встречаются в природе на каждом шагу.

Рисунок 1 – Удельная теплоёмкость некоторых веществ, кДж/(кг·°C)

Примечание — округлённые значения из таблиц школьного задачника по физике; для песка и гранита значение зависит от состава и влажности.

Вода оказалась чемпионом. Чтобы нагреть килограмм воды на градус, нужно в пять раз больше энергии, чем для килограмма сухого песка. Пляж в июльский полдень это подтверждает лучше любых таблиц: ноги на песке горят, а в море окунуться всё ещё зябко.

Ещё одно правило звучит так: тепло само по себе идёт только от горячего к холодному. Чай в кружке остывает до комнатной температуры и дальше не меняется. Чтобы забрать тепло у холодного тела и отдать горячему, нужен холодильник с компрессором и розеткой.

Переносится тепло тремя путями. Через прямой контакт, как от батареи к ладони. Потоками воздуха или воды, это конвекция. И излучением, которому не нужна никакая среда: так Солнце греет Землю через сто пятьдесят миллионов километров пустоты.

Тепловые процессы в природе

Из разницы теплоёмкостей получается бриз, ветер, который на берегу моря меняет направление дважды в сутки. Днём суша прогревается быстрее, воздух над ней поднимается, и его место занимает более прохладный воздух с моря. Ночью суша остывает раньше воды, и ветер начинает дуть с берега в море (на парусных лодках этим пользовались очень давно).

В большом масштабе то же самое делает климат. Вода копит тепло летом и отдаёт зимой. Мурманский порт стоит за Полярным кругом, но не замерзает, его греет отголосок Гольфстрима. В Якутске, где до ближайшего тёплого моря тысячи километров, средние температуры июля и января различаются почти на 60 градусов.

Вода к тому же постоянно меняет агрегатное состояние, и мы видим все переходы глазами. Пар поднимается над осенним озером, облако проливается дождём, лужа замерзает, сугроб тает. Круговорот воды целиком состоит из тепловых явлений.

Примеры тепловых явлений

Откуда берётся роса? Долго думали, что она падает с неба, как мелкий дождик. В 1814 году лондонский врач Уильям Уэллс выпустил «Опыт о росе» и показал, что дело в остывании.

Ясной ночью трава излучает тепло в небо и становится холоднее воздуха. Пар из воздуха оседает на ней капельками.

В пасмурную ночь облака возвращают часть излучения, и роса не выпадает. Отсюда народная примета: обильная вечерняя роса обещает сухой ясный день.

Иней — та же роса, только при морозе. Пар превращается в лёд сразу, минуя воду, физики называют это десублимацией. Узоры на окне в январе получаются так же.

Заморозки весной устроены похоже, и садоводы их боятся. Днём плюс пятнадцать, рассада высажена, а к утру под ясным небом почва остывает ниже нуля. Спасают растения дымом от костров или плёнкой, то есть просто не дают теплу уходить вверх. По сути, люди повторяют то, что ночью делают облака.