Задачи-рассказы по физике

Задача № 1. Хранение продуктов Тема: Влажность воздуха.

Цель: Сформировать знания о явлениях: испарения и конденсация; понятий: абсолютная и относительная влажность воздуха, насыщенный пар, точка росы. Рассмотреть их практическое применение при хранении продуктов. 

Бывают разные способы для сохранения свежести продуктов. К примеру, домохозяйки, хранят крупы в стеклянных бутылках, которые предварительно прогревают в духовке и закрывают пробкой, пока они горячие (ведь после остывания внутри образуется «небольшой вакуум» – разрежённый воздух, давление которого ниже атмосферного), а термическая обработка делает продукт более чистым. Таким способом они говорят, что продукт хранится дольше, поэтому делают так на постоянной основе. Но если бутылку заполнить крупой не полностью, то можно обнаружить интересное явление, при остывании на бутылке, с внутренней стороны, становится хорошо виден конденсат, который со временем при выравнивании температуры с окружающим воздухом исчезает. 

Вопрос: Почему конденсат появляется в бутылке заполненной крупой наполовину? И почему через некоторое время исчезает конденсат?

Возможное решение: Давайте порассуждаем над этой задачей. А чтобы рассуждения были более интересными и живыми, представим, что мы застали разговор домохозяек, которые решили выяснить, в чем же дело: 

Сегодня снова убирала крупы на длительное хранение в прогретые банки

и заметила одну вещь. В наполненных не полностью емкостях, образовался конденсат (рисунок 1), но со временем он испарился. И вот я задалась вопросом повлияет ли он на качество продукта. Как ты думаешь? 

–                   Интересно, наверное, это произошло из-за перепада температур. Проявилось такое явление, как точка росы. Помнишь, что такое точка росы? 

–                   Точка росы — это температура воздуха, при которой содержащийся в нём пар достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу. Чем выше относительная влажность, тем точка росы выше и ближе к фактической температуре воздуха.  ^{Рисунок 1 – Конденсат} – Да правильно, отсюда мы можем сделать вывод, внутри банки с крупой что получается, внизу крупа, у которой теплоемкость

выше. Отсюда верхняя часть стекла остывает быстрее, теплый воздух попадает на более холодное стекло и выпадает роса.

Со временем температуры выравниваются, роса испаряется и немного увеличивает влажность крупы.

–                   Звучит конечно интересно. По законам физики плотность водяных паров, которая есть в бутылке при понижении температуры в определённый момент становится достаточной, чтобы пар стал насыщенным (как правильно вы сказали, эта температура называется точкой росы – пар конденсируется, образуются капли воды). Но у меня еще остались вопросы, на которые нужно ответить, чтобы удостовериться в данном высказывании точно. 

Откуда в бутылке образуется такое большое количество пара, если её «выпаривают» в духовке длительное время? 

Влияет ли на относительную влажность давление воздуха, если да, то как? 

Почему конденсат появляется не сразу и куда исчезает влага при дальнейшем остывании? 

–                   А давай с тобой посмотрим характеристики стекла

–                   Если мы посмотрим в источниках данные о стекле, о его теплоемкости, то результаты будут примерно такие. Удельная теплоёмкость колеблется от 300 до 800 Дж/кг•С, а удельная теплоёмкость крупы, к примеру риса (бывает целый, дробленый) примерно в таких пределах 780 - 1200 Дж/ кг•С. Получается у крупы, например, рис – действительно теплоёмкость побольше, на единицу массы. А вот масса чего больше в данном случае стекла, или риса надо измерять.

–                   Ну давай возьмем, что пустая бутылка 600 г., а наполненная 1500 г. Получается в верхней части (половине бутылки) 300 г. стекла, а в нижней 450 г. риса+300 г. стекла, получается нижняя часть заметно дольше будет остывать (если не учитывать теплопередачу и теплообмен в любом виде между частями бутылки). 

–                   А если мы с тобой вспомним физическую суть процесса конденсации воды, ее можно описать следующим образом.

Молекулы воздуха находятся в постоянном хаотическом движении. При этом расстояние между ними намного больше размеров самих молекул. В результате в этих промежутках могут располагаться другие вещества.

Например, вода в газообразном состоянии. При повышении температуры воздух стремится занять больший объем, а расстояние между его молекулами увеличивается. Соответственно, образуется больше свободного пространства, которое могут занять молекулы других веществ.

–                   Так значит, чем выше температура воздуха, тем большее количество воды, находящейся в газообразном состоянии, может в нем содержаться.

–                   А если мы с тобой вспомним закон, который описывает зависимость объема любого газа от температуры, это закон Гей-Люссака. 

Звучит он следующим образом: при постоянном давлении относительное изменение объема газа при неизменной массе прямо пропорционально изменению температуры.

Получается, при понижении температуры происходят обратные процессы. Воздух стремится занять меньший объем и сжимается. Для молекул воды остается все меньше свободного места. 

–                   В итоге они настолько сближаются, что между ними начинают действовать силы притяжения. В результате молекулы воды соединяются друг с другом, образуются крошечные капли, вес которых уже не позволяет им находится во взвешенном состоянии, и они оседают на различных поверхностях в виде конденсата. 

Задача № 2. Применение фольги в быту

Тема: Тепловые явления. Излучение. Теплопроводность.  

Цель: Сформировать знания о явлениях: излучение, теплопроводность.

Прошлую зиму я провела в деревне со своим младшим братом. Было очень холодно и он задался вопросом, как бы дольше находиться на улице, чтобы ноги оставались в тепле. Он подошел к дедушке с данным вопрос, на что ему ответили, чтобы зимой ноги не мерзли, для утепления придумали вставлять стельки с фольгой. Но для чего это нужно? Он сразу ему не ответил, и они начали рассуждать на данную тему. Вот и мы с вами порассуждаем, с точки зрения физики. Вопрос: Какое предназначение фольги на стельках? Как нужно класть стельки в обувь: фольгой вниз или вверх?

Возможное решение: Интересная задача, тем более очень часто этот вопрос можно услышать от родственников. Давайте начнем разбираться в ней.

Чтобы объяснение было более красочным и понятным. Представим его в виде диалога внука и дедушки: 

Рисунок 2 – Стельки с фольгированной поверхностью

–                   Стельки с фольгой, выглядит конечно интересно (рисунок 2).

–                   Это не только интересно, но и точно поможет тебе, чтобы твои ноги не мерзли даже в сильный мороз. Бери, вставляй в ботинки.

–                   Так, ну и как их вставлять, я думаю, что фольгой вверх, так красивее.

–                   Возможно ты прав и дело тут не в красоте. Ведь фольга должна отражать инфракрасное тепловое излучение от стопы, таким образом сохранять тепло внутри. Такой фольгированный теплоотражатель будет отражать и возвращать тепло обратно внутрь, препятствуя тем самым выходу тепла наружу, в результате чего, холод не проникает

внутрь, сразу скажу, это ненаучный термин, но так понятней и ноги не замерзают.  

–                   А еще, наверное, в дополнение фольга будет выполнять роль изоляции от влаги, если она есть. И что, мои ноги действительно дольше не будут мерзнуть с такими стельками?

–                   Если начать вникать в физику данного процесса то, как известно, тепло передается следующим образом:

— контактом или теплопроводностью;

— конвекцией; — излучением.

В результате этого, зная, что фольга обладает способностью отражать излучение (электромагнитные волны), приходим к выводу, что фольга является препятствием от передачи тепла излучением. Учитывая ее высокую теплопроводность и то, что стопа касается фольги можно сделать вывод, что энергия (тепловая) передается преимущественно за счет теплопроводности и эффективность её использования невысока.

Тепловое излучение необязательно должно быть только от ноги, ведь материал же тоже нагревается. И сам материал не будет поглощать излучение от стопы? Мне кажется он непрозрачен для электромагнитных волн. Если так, то он будет нагреваться и далее энергия будет передаваться не в виде излучения, а за счет передачи колебаний молекул от одной к другой и к следующим (теплопроводность), а у алюминия она примерно 200 - 240 Вт/м•К в сравнении у стекла - 1, кирпич - 0,5 у дерева, резины, пластмассы - 0,15, бумага, картон, войлок шерстяной - 0,05. В таком случае алюминиевая фольга будет способствовать выведению тепловой энергии наружу. Правильно? 

–                   Тут однозначного ответа нет, ведь это спорно, так как слой алюминия тонкий. Поглощённая войлоком энергия не исчезает же, она также переходит в тепловую и излучаемую. 

–                   Так есть польза в стельках с фольгой или нет. 

–                   Польза от таких стелек есть, но только тогда вокруг фольги будет прослойка из материала, имеющего маленькую теплопроводность (войлок, картон, воздух и другие), то такие стельки будут самыми теплыми и очень эффективными. 

–                   А есть же еще вещи с фольгированной поверхностью, а как работают они.

Помнишь, когда мы строили баню, вы там стены фольгой обделывали.

–                   Да, помню, это мы теплоизоляцию делали. Теплоизолирующий материал для бани должен отличаться повышенной стойкостью к высокой температуре и влажности. Этими свойствами обладает алюминиевая фольга, а потому является одним из самых востребованных утеплителей в банях. Используется она как в сочетании с другими материалами, так и без них, в зависимости от толщины стен и условий эксплуатации.

–                   Какая главная характеристика алюминиевой фольги? 

–                   Одной из важнейших характеристик алюминиевой фольги считается ее отражающая способность – до 97% инфракрасных лучей.

 Совершенно верно, поэтому сплошная обшивка парной этим материалом способствует максимальному сохранению тепла, ведь ИК лучи не поглощаются стенами, а отражаются обратно в помещение. И даже если со временем поверхность фольги потускнеет, на отражающие свойства это практически не повлияет. 

–                   А еще я помню нам в школе говорили о том, что кроме того, она выдерживает температуру до 300 °С и выше, в зависимости от марки, имеет малый удельный вес и не выделяет вредных для организма соединений.

–                   Данный материал обладает и другими важными свойствами:

•              стойкостью к ультрафиолету и коррозии;

•              паронепроницаемостью;

•              пластичностью;

•              долговечностью;

•              влагостойкостью.

–                   Получается, если обшить стены фольгой все тепло будет оставаться внутри? 

–                   Да, практически все тепло остается в парилке, а стены и утепляющий слой под фольгой надежно защищены от конденсата. Для большей эффективности фольгой обшиваются не только стены, но и потолок, ведь пар и горячий воздух сначала поднимаются вверх. 

–                   Для утепления дома фольгированным пенополистиролом, между ним и обшивкой стены из гипсокартона оставляют воздушный промежуток, а утеплитель располагают фольгой внутрь помещения.

–                   Давай попробуем вспомнить, где еще применяется фольга, может ты помнишь, где встречался с ней в жизни или может видел, как используют ее в фильмах?

–                   Я помню, когда мы смотрели фильм «Огонь», я видел, как пожарные спасали людей от огня одеялами из фольги. Кажется, они называются спасательные одеяла. А ты можешь рассказать принцип работы этих одеял? 

Спасательное одеяло — это прямоугольная «простыня» из тонкой фольгированной плёнки, предназначенная для защиты от жары, холода и влажности в экстренных ситуациях. Главная цель термоодеяла — временно остановить потерю тепла человеческого тела и избежать переохлаждения. Временно — это значит на полчаса-час, максимум на два часа, но не более. 

Например, человек упал в ледяную воду или промок до нитки под холодным дождём, либо получил травму, и его нужно укрыть, чтобы он не замёрз до прибытия скорой помощи.

Второе предназначение — в жару защитить тело человека от прямых солнечных лучей и спасти от перегрева или теплового удара.

Материал термоодеяла был разработан для NASA в 1960-х годах с целью космических исследований. Он применялся в качестве солнечного щита: им укутывали космические аппараты для стабилизации температуры на орбитальной станции Skylab.

Позже на «космические» покрывала обратила внимание Ассоциация международных марафонов и пробегов (AIMS). Организаторы забегов стали раздавать компактные упаковки со Space Blanket марафонцам на финише. Скоро металлизированные одеяла стали так называемым must-have продуктом у бегунов США и Европы

На самом деле в «космическом» покрывале нет ничего космического или нанотехнологического. Всё предельно просто. Изофолия, как научно называется спасательное одеяло, представляет собой покрытую с обеих сторон алюминиевым напылением лавсановую плёнку, или ПЭТ — из него делают пластиковые бутылки для воды. 

Обычно с одной стороны напыление серебристого цвета, а с другой — золотистого. Серебристой стороной металлизированная плёнка отражает инфракрасное – тепловое излучение подобно экрану. Если какой-либо объект, от которого исходит тепло,  – живое существо, кастрюлю с супом – накрыть такой плёнкой, она будет отражать 80-90% этого тепла.

А большая разница как укрываться таким одеялом? Или как захотел, так и накрываешься?

–                   Важно знать, чтобы сохранить тепло и согреться, нужно завернуться в одеяло серебристой стороной к телу, а для защиты от перегрева – повернуть одеяло серебристой стороной наружу. Правда, практика показывает, что обе стороны плёнки работают одинаково.

–                   Стоит уточнить, что термоодеяло не держит тепло внутри себя: оно лишь экранирует его. Тонкая пластиковая плёнка, как и полиэтилен, по определению не может быть сильным теплоизолятором и не способна длительное время предохранять от теплопотерь, что бы ни писал производитель о своём продукте. Это не шерстяное одеяло и не пуховик. Плёнка удерживает воздух, но довольно легко отдаёт тепло.

–                   Так интересно, кажется всего один материал, но столько у него свойств и способов применения. 

Задача №3. Метель

Тема: Кристаллизация  

Цель: Сформировать у учащихся знания о понятии «кристаллизация».

Как-то зимой, когда на улице была сильная метель, возвращаясь домой с бабушкой. Я начала говорить о том, поскорее бы эта метель закончилась, чтобы стало хоть немного теплее, а то холод ужасный, закутываясь сильнее в шарф. Но бабушка мне ответила – если снег сейчас перестанет идти, то может станет еще холоднее, будет мороз. Почему же? – спросила я.

Вопрос: Почему после метели, станет холоднее?

Возможное решение: Образование кристалликов льда и снега из воды связано с выделением энергии в окружающую среду. Поэтому при снегопаде большого понижения температуры воздуха быть не может. Если снегопад прекратится, этого выделения энергии не будет, и возможен мороз. 

Кристаллизация –  процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, из вещества в другом кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически одновременно возникают во множестве мелкие кристаллики – «зародыши», центры кристаллизации.

Кристаллизация сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул. Скорость частиц при уменьшении температуры тела становится меньше, это приводит к тому, что молекулы ориентируются в пространстве в определённом порядке, зарождается кристаллическая решётка. Когда частицы занимают свои места в узлах кристаллической решётки, их потенциальная энергия резко уменьшается, идет процесс выделения энергии.

Задача №4. Как распространяется звук

Тема: Распространение звука  

Цель: Сформировать у учащихся понятие о распространении звука

У нас большой частный дом и участок. Мама с папой стояли на большом расстоянии друг от друга и вместо того, чтобы подойти и просто поговорить, мама кричала папе с одного конца участка на другой. Папа вздохнул и сказал, ну что-же ты пытаешься докричаться, все равно ничего не слышно – всем же понятно, что на большом расстоянии голос хоть и слышен, но разобрать слова невозможно. Почему так происходит?

Вопрос: Почему на большом расстояние при крике сложно разобрать слова? 

Возможное решение: Четкость восприятия произнесенной речи обеспечивает попадание в ухо всего пакета испущенных звуковых колебаний. Распространяясь по воздуху, звуковые волны передают часть своей энергии окружающей среде и поэтому затухают: их амплитуда уменьшается, нарушается и периодичность. 

Кроме того, в среде происходит и дисперсия звука: появляется зависимость скорости распространения волн от их частоты. В результате всего этого в ухо поступает пакет колебаний, отличающийся от испущенного, т.е. весьма искаженный. И чем дальше приемник звука находится от источника, тем больше это искажение.

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0 °С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с.

Например, при 20 °С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 °С — 366 м/с, при 100 °С — 387 м/с. Объясняется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем более упругие силы, возникающие в среде при её деформации, тем больше подвижность частиц и тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой.

Задача № 5. Вода в решете

Тема: Атмосферное давление. Поверхностное натяжение жидкости.  

Цель: Сформировать знания учащихся о действии атмосферного давления. 

Каждый из нас встречался с выражением «Носить воду в решете». Что это значит? В разных толковых словарях дано свое определение, если обобщить всё, что написано в толковых словарях русского языка, можно сказать, это означает выполнять бессмысленную и бесполезную работу, потратить время впустую. Тот, кто придумал это крылатое выражение был уверен, что так оно и есть. С этим выражением трудно не согласиться. Но я думаю могут найтись те, кто захотят его опровергнуть. Это люди, которые увлечены физикой, которые утверждают, что научное знание, интуиция, большое желание к достижению поставленной цели дают положительные результаты. И если на пути к достойной цели вы не совершите открытия мирового масштаба, то для себя лично точно узнаете много интересного и полезного. 

А давайте проверим, может быть все же можно носить воду в решете, и тогда это выражение будет иметь другой смысл. Тогда в толковых словарях можно будет написать «Носить воду в решете – значит добиться невозможного».

Ну, что перепишем толковые словари? Как Вам такая цель? 

И. Гёте говорил: «Дайте человеку цель, ради которой стоит жить, и он сможет выжить в любой ситуации». Конечно, наша цель не столь грандиозная, но что-то в ней есть. 

Так все-таки давайте попробуем разобраться с вопросом. Если стакан наполнить водой, накрыть марлей или листком бумаги и перевернуть вода не выливается, но налить воду через марлю в стакан мы можем. 

Вопрос: Почему вода в стакан наливается, а из стакана не выливается? 

Возможное решение: Давайте порассуждаем над этим интересным вопрос и попробуем найти решение задачи. Представим решение данной задачи в виде диалога друзей: 

–                   Смотри какой интересный опыт тебе покажу. Наполняем стакан водой, накрываем его марлей и переворачиваем стакан (рисунок 3).  Как ты думаешь, что сейчас произойдет? 

–                   Если наклонить наполненный         водой         стакан,        вода начнет выливаться из него, поРисунок 3 – Стакан, накрытый марлей

тому что на нее действует сила тя-

жести, и ничто не мешает жидкости устремиться вниз, то есть она выльется на пол.

–                   Ну да, такое обычно происходит, а чтобы вода не вылилась, что можно сделать?  

–                   Для того, чтобы вода не вылилась из сосуда, можно пойти несколькими путями. Закрыть плотной крышкой, заморозить, не переворачивать стакан. Или, наконец, просто не наливать ее туда.

–                   Но мы с тобой не ищем легких путей. Попробуем создать такие условия, при которых воду в сосуде удерживает именно атмосферное давление, несмотря на силу тяжести.

–                   Как это? Почему вода остается в стакане?

–                   А ты как думаешь, почему это происходит? 

–                   Скорее всего, марля срабатывает как крышка, но я совсем не уверен в своем ответе.

–                   Да это так. Часть воды останется в стакане и упрётся в марлю как в крышку. Вода не проходит через обычную тряпку благодаря поверхностному натяжению. В промежутках ткани возникла водяная плёнка, и её сила удерживает содержимое стакана вместе с атмосферным давлением, которое действует на него снаружи. 

–                   Вода не выливается из стакана благодаря силе, возникающей из-за разницы атмосферного давления вне сосуда и давления, которое образуется внутри между дном и поверхностью воды. То есть, когда столб воды пытается опуститься вниз, в емкости образуется среда с пониженным давлением, поэтому атмосферное давление и удерживает жидкость.

–                   Атмосферное давление – это давление воздуха на земную поверхность и на все находящиеся в атмосфере предметы, созданное гравитационным притяжением Земли. Оно распространяется во все стороны с равной силой. То есть и вверх тоже.