Учащихся при изучении физических явлений.

Муравецкий Н.П.

В 9 и 10 классах в разделе «Механика» изучается явление невесомости. Анализ этого состояния тел даёт возможность учителю развивать логическое и аналитическое мышление учащихся. Изучение физических явлений, связанных с действием сил поверхностного натяжения, смачивания, капиллярности и конвекции газов в земных
условиях и в невесомости воспитывает у учащихся культуру мышления, привычку глубоко вникать в смысл явлений, учитывать все условия, в которых они протекают.

Анализ перечисленных явлений приводит учащихся к идее сравнения характерных особенностей процесса их в земных условиях и в невесомости.

Понятие невесомости является производным от понятия веса. Весом называется сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. При неподвижной опоре или подвесе вес тела равен силе тяжести. Но если опора или подвес движутся с ускорением, направленным вниз, вес тела равен произведению массы тела на разность между ускорением свободного падения и ускорением тела. Это значит, что вес тела уменьшается и при ускорении, равном ускорению свободного падения, тело не давит на опору и не растягивает подвес - наступает состояние невесомости. Исследование этого состояния в сравнении с состоянием весомости развивает логическое мышление и умение учащихся анализировать и прогнозировать физические явления.

Рассмотрим некоторые явления, привлекающие внимание учащихся и вызывающие у них глубокий интерес. Кроме того, эти явления имеют важное практическое значение.

Явление поверхностного натяжения связано с особым положением поверхностного слоя жидкости: изнутри на молекулы этого слоя действуют молекулы жидкости (плотность их велика), а снаружи действуют молекулы окружающего жидкость газа (плотность их на несколько порядков меньше). Поэтому жидкость сжимается поверхностным слоем, как если бы она находилась в эластичной резиновой оболочке. В условиях весомости из всех сил, действующих на неё, преобладающее значение имеет сила тяжести, и свободная поверхность жидкости занимает положение, перпендикулярное её направлению (горизонтальное). При свободном падении жидкости она переходит в состояние
невесомости. Теперь уже главную роль играют силы поверхностного натяжения, и форма свободной поверхности жидкости коренным образом меняется: каким бы большим ни был объём жидкости, она имеет форму шара. Эта особенность проявления сил поверхностного натяжения в состоянии невесомости прогнозируется учащимися после детального анализадинамического состояния жидкости и проверяется экспериментально при наблюдении формы свободно падающих капель воды.

В качестве примера практического использования этой особенности формы свободно падающей жидкости сообщаем учащимся информацию об изготовлении свинцовой дроби в Англии:в 1782 году коммерсант Уильям Уотте получил патент на производство дроби методом свободного падения. В 1785 году Уотте построил в Бристоле башню сбрасывания и, углубив шахту, получил общую высоту падения 27,2 метра. Производство дроби этим способом имело большой коммерческий успех и используется по настоящее время.

В космическом полёте космонавты должны учитывать опасность, которую представляют для их здоровья и жизни мелкие капельки жидкости, плавающие в салоне корабля: при попадании в дыхательные пути они могут вызвать удушье и гибель экипажа.

Явление смачивания играет важную роль в жизни человека, животных и растений. При смачивании жидкостью твёрдого тела, имеющего форму узкой щели или цилиндрического отверстия малого диаметра, происходит подъём жидкости, т. к. поверхность жидкости имеет форму вогнутого мениска, ослабляющего давление внутри жидкости, и жидкость для уравновешивания давления поднимается. Это явление называется капиллярностью. Благодаря данному явлению у человека происходит обмен веществ, а растения получают с водой питательные вещества, т. е. для живой материи капиллярность играет жизненно важную роль. Высота столба жидкости в капилляре прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения и обратно пропорциональна радиусу капилляра, плотности жидкости ускорению свободного падения. Учащиеся после вывода формулы для расчёта высоты подъёма жидкости делают вывод, что в невесомости высота столба жидкости будет бесконечно большой. Это утверждение является ошибочным, т. к. не учитывает того, что реальные капилляры имеют конечные размеры, а значит при подъёме жидкости до верхней кромки капилляра мениск исчезнет, и жидкость начнёт вытекать из сосуда. Эта ошибка в рассуждениях даёт возможность учащимся придти к выводу, что в таких случаях необходимо учитывать не только зависимости, полученные в теории, но и реальности рассматриваемого явления.

В качестве исследовательского задания учащимся было поручено рассмотреть эпизод из произведения Жюль Верна «Из пушки на Луну». Герои, пролетая точку статической невесомости между Землёй и Луной, отмечают это событие шампанским и троекратным «Ура!». После обсуждения физики явления учащиеся пришли к выводу, что событие описано автором с искажениями. Критике подвергся процесс разливания вина в бокалы, т. к. жидкость в невесомости нельзя вылить земным способом (наклоняя сосуд) - её из сосуда нужно вытряхивать, заставить её занять место в бокалах тоже непросто - она в форме шара будет свободно парить по салону корабля. И последнее: если бы незадачливым путешественникам и удалось налить жидкость в бокалы, то при попытке выпить вино обычным способом они могли бы задохнуться - в полной мере проявилось бы явление смачивания, и вино, растекаясь по коже героев, попало бы им в рот, нос, глаза, уши, не давая им нормально дышать, поэтому вместо восторженных «Ура!» в салоне слышны были бы панические звуки задыхающихся людей.

Интерес у учащихся вызывает и особенность размещения жидкости в сосудах. В земных условиях она занимает нижнюю часть сосуда, а свободная поверхность жидкости перпендикулярна силе тяжести. А как происходит в невесомости? Оказывается жидкость растекается по внутренним стенкам сосуда, а центральная часть сосуда имеет сферическую форму и заполнена воздухом. Этот факт учитывается при конструировании сосудов для хранения жидкости в невесомости.

Можно ли в невесомости задохнуться? Для исследования этой проблемы рассмотрим, как горит свеча при отсутствии веса. Ведь она тоже «дышит», т.к. для горения ей нужен приток свежего воздуха.

Какие процессы происходят во время горения свечи? Фитиль свечи пропитан застывшими горючими веществами. Под действием высокой температуры пламени спички застывший парафин вначале расплавляется, а затем возгоняется, т. е. Превращается в раскалённый газ, который бурно реагирует с кислородом воздуха. После появления пламени свечи процесс горения проходит автоматически. Внешнего тепла спички для возгонки горючего вещества уже не требуется, т. к. оно поступает от верхнего желтого слоя пламени свечи.

Пламя свечи состоит из трёх слоев: наружного, самого яркого с красноватым оттенком (это слой высокой температуры, в нём происходит полное сгорание горючих веществ); среднего ( в нём происходит неполное сгорание горючих веществ); третьего, тёмного слоя с фиолетовым оттенком (это область возгонки горючих веществ, область превращения их в раскалённый газ).

Вес воздуха с примесями продуктов горения зависит от температуры - чем горячее он, тем его вес меньше, поэтому в трёх слоях пламени свечи возникает конвекция: нагретый воздух поднимается вверх, а его место занимает холодный, богатый кислородом, который поддерживает горение. Так происходит в земных условиях.

После анализа процесса горения свечи на земле учащиеся должны составить прогноз: как будет гореть свеча в невесомости? После обсуждения они приходят к выводу, что в невесомости исчезнет разница в весе холодного и тёплого воздуха. Горячий воздух без свободного кислорода не уступит место свежему воздуху, свеча обязательно должна погаснуть.

Об отсутствии конвекции газов в невесомости свидетельствует эксперимент с вертушкой. В узкую горловину стеклянной колбы помещали пропеллер из фольги, а в широкую - электролампочку. В нормальных условиях возникал конвекционный поток воздуха, который заставлял вертушку вращаться. В невесомости пропеллер не вращался.

Пламя свечи в невесомости гаснет, а спичка, выпущенная из руки без вращения продолжает гореть, т. к. она движется подобно ракете под действием силы реакции струи газов, которая появляется при быстром расширении продуктов горения. При этом движении она встречает на своём пути свежий воздух, поддерживающий её горение.

Теперь, зная поведение газов в невесомости, учащиеся уверенно утверждают, что, не соблюдая правил осторожности, человек может задохнуться в невесомости. Выделяемый при дыхании воздух постепенно будет скапливаться около космонавта, и ему придется дышать воздухом, обеднённым кислородом, поэтому в салоне космического корабля и в скафандре космонавта создают искусственную вентиляцию воздуха.

В работе рассмотрены некоторые физические явления, проходящие по-разному в земных условиях и в состоянии невесомости. Сравнение физики этих явлений является прекрасной возможностью воспитывать у учащихся логику мышления и стремление к глубокому анализу изучаемых явлений.