Во все века жила, затаена,
Надежда – вскрыть все таинства природы.
В.Я. Брюсов.
Каждый учитель физики хорошо знает, что
по-гречески “физика” – это “наука о природе”.
Но, к сожалению, мы обычно изучаем физику чаще
всего в отрыве от природных явлений. Для
подтверждения и демонстрации физических законов
мы очень редко обращаемся к природе, чаще – к
специально придуманным опытам, а также к
примерам, взятым из техники.
Предлагаю урок, который поможет показать детям,
что природа – это гигантская физическая
лаборатория, которая наглядно демонстрирует
условность разделения физики на отдельные
самостоятельные разделы.
Такой урок можно провести в любом классе, только
изменив задания. Занятие лучше провести зимой.
Можно в классе, можно и на улице. Обычно урок
проводится как обобщающий, и цели его: 1)
формирование способности пользоваться многими
естественнонаучными понятиями, конструировать в
своем сознании целостную картину мира, понимать
различные взаимосвязи в природе; 2) обучение
ребенка умению чувствовать себя счастливым.
Человек появляется на свет, чтобы быть
счастливым.
Итак, перед вами, дорогие читатели, урок, а может,
и серия уроков, которые помогают ребенку
формировать способность быть счастливым.
Тема: “Тайна снега”.
Звучит музыка и стихотворение С.Г. Острового.
А я все гладил снег рукой,
А он все звездами отсвечивал,
На свете нет тоски такой,
Которой снег бы не излечивал.Он весь как музыка. Он – весть.
Его безудержность бескрайна.
Ах, этот снег... Не зря в нем есть
Всегда какая-нибудь тайна.
На доске тема не записана, ребятам предоставляется возможность самим сформулировать ее. Каждый записывает свою формулировку: только тогда она будет ему близка, а значит – дорога. Кто-то пишет “Снежинка”, другие – “Моя снежинка”, “Снег”, “Зима”, “Очарование снега” и т.д.
Ученики уже многое знают о снеге и снежинках, и поэтому важно, чтобы они объединили свои знания из разных наук (ученики 10,11 классов знают больше, и поэтому информация будет более полной, а значит, и урок более научным, но в целом останется таким же).
Ребята пишут о том, что они знают, следующим образом: Я счастлив, что…
- знаю о снеге (снежинке) ... (ребята могут написать о строении, агрегатном состоянии вещества, свойствах, образовании, стихах, песнях, сказках и т.д.);
- умею ... (ребята могут написать: составить задачи о снежинке, проделать опыты со снегом, изобразить снежинку, лепить из снега фигуры, кататься на лыжах по снегу, скользить по льду, изобразить в театре снежинку, вырезать снежинки из бумаги и т.д.);
- наблюдаю ... (ребята могут написать: падение снежинки, таяние снега, виды снежинок, уплотнение снега и т.д.);
- рисую ... (ребята могут написать: снег, снежинки, снежный городок, Снежную королеву и т.д.);
- особенное мое.
Ученики отмечают свои знания, умения и навыки, анализируют свои достижения. Создается ситуация успеха. Ученик сам понимает, в чем он силен, над чем ему еще надо работать, но самое главное, чувствует, что знания и красота есть сила, позволяющая человеку выстраивать счастье. Ученикам нравится пункт 5: здесь они указывает особенное свое: написал стихотворение о снеге, снежинке, нарисовал картину, играл в театре роль снежинки, сфотографировал снег, снежинку, проделал опыты, построил снежные фигуры, горку. Важно, что ребенок вдруг осознает, что все вокруг него, с чем он ежедневно встречается, изучает наука физика. Она становится ему близкой. Происходит познание окружающего мира. Ребенок чувствует себя счастливым.
Ответы зачитывают по очереди. Важно, чтобы каждый ученик имел возможность показать свои знания, почувствовать себя уверенным. Многие читают стихи о снеге (можно договориться с учителем литературы, чтобы он дал задание подобрать и выучить их). У каждого в душе свой снег, и ребята читают то стихотворение, которое наиболее созвучно им.
Сегодня новый вид окрестность приняла,
Как быстрым манием чудесного жезла;
Лазурью светлою горят небес вершины,
Блестящей скатертью подернулись долины,
И ярким бисером усеяны поля.
На празднике зимы красуется земля
И нас приветствует живительной улыбкой,
Здесь снег, как легкий пух, повис на ели гибкой...
П. Вяземский.
Как все бело! Глаза не различат,
Как тут смешался с цветом сливы снег...
Где снег? Где цвет?
И только аромат
Укажет людям: слива или нет.
Оно-но Такамура.
Морозное дыхание метели
Еще свежо, но улеглась метель.
Белеет снега мшистая постель,
В сугробах стынут траурные ели.
И. Бунин.
На окне, серебряном от инея,
За ночь хризантемы расцвели,
В верхних стеклах – небо ярко-синее
И застреха в снеговой пыли.Всходит солнце, бодрое от холода
Золотится отблеском окно.
Утро тихо, радостно и молодо.
Белым снегом все запорошено.
И. Бунин.
Под голубыми небесами
Великолепными коврами,
Блестя на солнце, снег лежит;
Прозрачный лес один чернеет,
И ель сквозь иней зеленеет,
И речка подо льдом блестит.
А. Пушкин.
Когда выслушаны ответы каждого, учитель просит составить план, по нему ребята будут изучать снег. Каждый предлагает свои разделы, и в результате общих усилий получается план:
1. Определение.
2. Причины образования.
3. Состав, внутреннее строение.
4. Физические законы, по которым живет снежинка
(снег).
5. Свойства снежинки, снега.
6. Опыты.
7. Применение.
8. Задачи со снегом (снежинкой).
9. Красота снега.
После этого все вместе рассматриваем каждый пункт, причем во многом это делают ребята сами или с помощью учителя.
И снег, и лед изучает одна и та же наука – гляциология. Об образовании снежинок из мелких ледяных кристалликов в облаках ученики знают из других уроков. А дальше можно объяснить, что во время очень сильных морозов ледяные кристаллики выпадают в виде “алмазной пыли” – на земле образуется слой очень пушистого снега, состоящего из тоненьких ледяных иголочек. Обычно же в процессе своего движения внутри ледяного облака ледяные кристаллы растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу. В зависимости от внешних условий ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы – снежинки-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных их оси, образуются снежинки в виде шестиугольных звездочек. (Здесь уместно показать кадры из диафильма “Твердые тела. Деформация тел”, рисунок из учебника физики 10 кл. Мякишева Г.Я. на стр. 193 и гексогональную кристаллическую решетку). При определенных условиях (без ветра) падающие снежинки сцепляются друг с другом, образуя огромные снежные хлопья, они могут достигать в диаметре более 10 см.
Падение снежинки происходит благодаря силе
тяжести, действующей на нее со стороны Земли. Это
падение нельзя назвать свободным, так как масса
снежинки очень мала (около 10 -3 г), и потоки
воздуха подхватывают ее, кружат, относят в
сторону, поднимают вверх. Как у
С.Т. Аксакова “Падение снега”:
“Я всегда любил смотреть на тихое падение снега. Чтобы вполне насладиться этой картиной, я вышел в поле, и чудное зрелище представилось глазам моим: все безграничное пространство вокруг меня представляло снежный поток, будто небеса разверзлись, рассыпались снежным пухом и наполнили весь воздух движением и поразительной тишиной...”
или у Ю. Куранова:
“Как опускаются на сугроб снежинки? Почти невидимо. Ты просто чувствуешь, что в воздухе снегопад. А снежинки, они садятся в сугробы как неприметные тончайшие звуки, возникшие прямо из воздуха. Над изгибами снежинки поют. И голоса их явственно слышатся, их задумчивое звучание.
Как будто музыка ложится на поля,
Идет в леса, стоит над хуторами,
Где русаки, ушами шевеля,
К утру теребят сено под стогами.Как будто музыка стоит в березняках,
Кого-то ждет, кому-то сладко верит,
И в голубых сугробистых кустах
Внимают ей взволнованные звери.
Снегопад стеною закрывает дали, все ближние неслышные предметы. Зато слышно, как он сам шелестит и как стелется, стелется, стелется.
Зима в дремучий сон погружена,
Зима молчит, зима покою рада,
Когда звучит, как пенье, тишина,
В сиреневом круженье снегопада.”
Звучит музыка.
Порхающую в воздухе снежинку подстерегают две опасности. Во-первых, она может растаять, оказавшись в более теплых воздушных слоях. Во-вторых, во время полета происходит постепенное испарение снежинки, усиливающееся в ветреную погоду и при уменьшении относительной влажности (здесь можно повторить процесс испарения и понятие относительной влажности). Чем мельче снежинка, тем быстрее она испаряется. Таким образом, выпадение снежинок из облака не обязательно заканчивается снегопадом: бывает, снежинки испаряются, не достигнув поверхности земли. В ветреную погоду (испарение сильнее) часто выпадают мелкие снежинки почти круглой формы – снежная крупа. В горах расстояние от облаков до земли значительно меньше, чем на равнинной местности. А чем меньше это расстояние, тем меньше (при прочих равных условиях) вероятность того, что снежинка растает или испарится. Именно поэтому в горных районах выпадает значительно больше снега.
Рассматривая состав и внутреннее строение снега, важно подчеркнуть, что молекулы воды, льда, снега и водяного пара одинаковы. В 8 классе хорошо вспомнить, что лед, как кристаллическое тело, имеет постоянную температуру плавления и кристаллизации, т.к. при переходе вещества из твердого состояния в жидкое подводимое тепло тратится на разрушение кристаллической решетки. Обязательно начертить график плавления и кристаллизации люда. Хорошо вспомнить формулы плавления и кристаллизации. В старших классах можно решить более сложные задачи на теплообмен с участием льда.
Интересной является работа по определению плотности снега. Ученикам на столы раздают снег, весы, разновесы, мензурки и просят определить плотность снега. Можно спросить: почему в справочнике есть плотность железа 7870 кг/м3 и других веществ, а плотности снега нет. Оказывается, потому, что “снег снегу рознь”. Показываем только что выпавший снег и слежалый (можно определить их плотность). Сразу после выпадения в теплую погоду снег имеет плотность 30–60 кг/м3 (пусть переведут в г/см3). Плотность свежего снега, выпавшего во время метели, в несколько раз выше: 100–200 кг/м3. У слежавшегося снега плотность возрастает до 300 кг/м3, а у снега, подвергавшегося длительное время действию ветра, она достигает 400–500 кг/м3.
В зависимости от температуры, влажности воздуха, силы ветра существенно изменяются, наряду с плотностью, и другие свойства снега. Это хорошо знают лыжники, подбирающие в соответствии с погодой тот или иной тип мази для лыж. По мере уплотнения снега уменьшается его способность отражать свет (снег утрачивает свою первоначальную белизну), ухудшаются его теплоизоляционные свойства (снег начинает лучше проводить теплоту).
Почему снег плохо проводит теплоту (можно повторить и виды теплопередачи, особенно теплопроводность, хорошие и плохие проводники тепла)? Падающие в тихую погоду снежинки ложатся на холодную земную поверхность, возникает довольно рыхлая “постройка”, пронизанная воздушными промежутками. Рыхлость ее как раз и объясняет, почему так низка плотность свежевыпавшего снега и почему он так плохо проводит тепло: в таком снеге очень много воздуха.
Плохую теплопроводность снега использует природа, чтобы защитить зимой все живое от холода. Обратимся к литературе.
И. Соколов-Микитов “Снежные теплички”.
“Не желаете ли полюбоваться на снежные теплички? – глаза профессора-ботаника радостно смеются. Лежа на снегу, большим ботаническим ножом он осторожно вскрывает прозрачную ледяную пластинку, образовавшуюся над углублением в снегу, в котором виднелись живые зеленые побеги.
– Посмотрите, как ладно устроено. И прозрачное ледяное стекло, пропускающее живительные солнечные лучи, и мягкая теплая подстилка. Настоящий миниатюрный парничок, крошечная снежная тепличка.
Я опускаюсь рядом с профессором на снег. Под тончайшей хрустально-прозрачною коркою льда видно в снегу распустившее растение с пушистыми, свернутыми в трубку зелеными ростками. Термометр в снежной тепличке, показал положительную температуру”.
Ю. Качаев “Дом под колпаком”.
“Удобнее всех устроились муравьи. Каждый муравейник накрыт прочным ледяным куполом. Мороз сам позаботился о том, чтобы муравьям было тепло и уютно. Ночью дожди промочили лишь самый верхний слой муравейника, а утром заморозок выстроил над ним прозрачный ледяной колпак, на который можно стать ногами, и он только спружинит, но не сломается. А через несколько дней выпадет белый легкий снег и укроет муравейник шубой теплее заячьего меха”.
Интересно обсудить вопрос, почему снег задерживается на ветвях деревьев. Предлагается проделать опыт: насыпать песок на ветку дерева без листьев. Он на ней практически не задерживается и почти целиком просыпается вниз с ветки. А снег может накапливаться на голых ветвях, образуя подчас такие тяжелые шапки, что обламываются ветки. Снежные наросты на деревьях образуются при снегопаде в тихую погоду, когда температура воздуха близка к 0оС. В этих условиях довольно интенсивно идут разнообразные процессы внутри снега: подтаивание и замерзание, испарение и кристаллизация. Именно они приводят к образованию связей между упавшими снежинками и поверхностью ветки, а также между самими снежинками. Первые снежинки подтаивают и примерзают к ветвям, образуя на них тонкую наледь. Следующие снежинки примерзают уже к этой наледи. Так постепенно на ветвях нарастают большие снежные шапки.
Хорошо представить, что вместе с писателем М.М. Пришвиным мы гуляем по лесу.
“Снежная пороша. В лесу очень тихо и так тепло, что только вот не тает. Деревья окружены снегом, ели повесили громадные тяжелые лапы, березы склонились, и некоторые даже согнулись макушками до самой земли и стали кружевными арками. Ель царствует со своей верхней мутовкой, а береза плачет. В лесной снежной тишине фигуры из снега стали так выразительны, что странно становится: “Отчего, думаешь, они ничего не скажут друг другу, разве только меня заметили и стесняются?” И когда полетел снег, то казалось, будто слышишь шепот снежинок, как разговор между странными фигурами. Снежинки (шестигранные звездочки), летящие с неба, падая на сучки, на ветки деревьев, обнимая каждый изгиб, засыпая каждую лапку, трудятся, чтобы все округлить. Выпала пороша. На охоте начал снимать лесные фигуры. Веточка тончайшими своими пальчиками держала большой пышный ком. В полдень фигуры начали падать, сшибать одна другую: деревья играли в снежки...”
Говоря о свойствах снега, важно ответить на вопрос: почему свежевыпавший снег белый?
Яркий снег слепит глаза людей,
Белый снег, он серебра белей,
Он своей поспорит белизной
С мягкой ватой, с рисовой мукой.
Так писал о снеге китайский поэт Лю Дабай.
Свежевыпавший снег отражает более 90% падающих на него солнечных лучей. Для объяснения столь высокой отражающей способности снега надо обратиться к явлению полного внутреннего отражения света. Повторив это явление, хорошо ответить на вопросы: Почему снег со временем темнеет? Почему зимой холодно? Как слепить снежок с точки зрения физики?
При рассмотрении вопроса о механизме образования сосульки ребята повторяют явление поверхностного натяжения.
Большой интерес у ребят вызывают опыты со снегом:
- слепить прочный снежок и объяснить физику происходящих при этом процессов;
- изучение свойств снега;
- наблюдение превращений снега в воду;
- определение плотности снега;
- снежная лавина на нашем столе.
Интересны для ребят и демонстрационные опыты: 1) замерзание пресной воды и раствора соли; 2) снежное одеяло; 3) демонстрация явления режеляции.
Как же человек использует снег для решения различных практических задач?
1. Снегомелиорация. Снег на полях необходим, во-первых, как источник влаги и, во-вторых, как своеобразная шуба, защищающая от морозов посевы озимых культур, корневые системы многолетних трав, а также живые сообщества в почвенно-растительном слое. Снегомелиорация решает важные задачи: задержание снега на полях, обеспечение равномерного снежного покрова, предотвращение стока талых вод весной. В жизни это создание полезащитных лесных полос, а также механизированное снегозадержание (снегопахание) и уплотнение снега.
2. Снег как строительный материал. Он широко используется в холодных районах Земли, где большую часть года длится зима с устойчивым и толстым снежным покровом. Снег применяется как основа фундаментов различных построек, как материал для возведения стен, куполов, тех или иных строительных конструкций и, наконец, как среда, в которой прорывают траншеи, шахты, устраивают жилые и складские помещения.
С давних лет эскимосы Аляски строят свои жилища (иглу) из снежных кирпичей. Сегодня из плотных снежных блоков сооружают разнообразные постройки и даже ангары для вертолетов. Известно, что снег хорошо сопротивляется сжатию. Поэтому в “снежной архитектуре” широко применяют своды и купола – ведь составляющие их блоки всегда сжаты.
Отдельно следует сказать об использовании снега в качестве покрытия дорог и взлетно-посадочных полос. В Швеции, например, каждую зиму создают более 30 тысяч километров дешевых снежно-ледяных дорог. С помощью специальных виброуплотнителей доводят плотность снежного покрытия до 500 кг/м3.
Даже простое перечисление различных применений снега и льда в нашей жизни заняло бы много времени. Можно дать ученикам задание подготовить доклады о таких глобальных проблемах, как “Снег и климат”, “Ледники и обводнение пустынь”, “Развитие зимних видов спорта”, “Использование снега для контроля загрязненности атмосферы”.
На этом уроке детям предлагается решить “снежные или ледяные” задачи или лучше, если они сами составят их, сдадут заранее, и в классе появится сборник таких “снежных” задач.
В 7-м классе ребята придумывают задачи простые:
1) определить силу тяжести, действующую на снежинку, зная ее массу;
2) определить работу силы тяжести при падении снежинки с высоты 1 км и т.д.
В 8-м классе можно определить количество теплоты, которое требуется для того, чтобы растопить лед определенной массы.
Интерес у ребят вызывают задачи с необычной информацией. Например:
1. Общая площадь плавучих льдов вокруг Антарктиды равна примерно 20 млн.км2. В теплый период она сокращается до 2,5 млн.км2. Толщина плавучих льдов составляет в среднем 1,5 м. Определить, какое количество теплоты потребовалось для того , чтобы расплавить льды при 00С.
2. Крупный айсберг плоской формы в заливе Мелвилл вблизи берегов Гренландии имеет длину более километра, ширину – 0,5 км, а высоту надводной части 20 м. Какова масса льда, содержащаяся в айсберге? Определить массу всего айсберга (надводной и подводной части).
Сообщаем, что в ледниках сосредоточено до 75% всех земных запасов пресной воды.
Чтобы ребенок почувствовал себя более счастливым, важно показать красоту снега. Любуясь снегом, мы обычно не задумываемся о том, насколько он прекрасен. Заснеженный лес, как правило, приглашает нас в сказку.
Снег и сказка... У них есть одна удивительная общая черта. И сказка, и снег говорят нам о чудесных превращениях. Золушка становится красавицей, великан – маленькой мышью, лягушка – Василисой Прекрасной. Выпал снег – и унылое черное поле превращается, как по волшебству, в великолепный белый ковер, сверкающий на солнце, преображаются лесные чащи, в белые одежды наряжаются ели. Да и сам снег! Что может быть более непостоянным, более изменчивым? Вот он есть – и вдруг, подобно сказочной Снегурочке, он исчезает, тает. Сейчас он белый и пышный, а завтра серый и мокрый. Или иначе – вчера он был пушистым и мягким, а теперь стал твердым и плотным. Полежит еще некоторое время – и превратится в лед. Он родился над землей в виде почти невесомых снежинок, но вот теперь прошло какое-то время – и он поплыл по реке льдинами, пополз с высоких гор ледниками, закачался на волнах океанов айсбергами.
Изменчивость снега (льда) почти таинственна. Она интересна для физиков и не менее привлекательна для поэтов и писателей, композиторов и художников. С.Г. Островой как-то сказал, что снег завораживает, притягивает к себе, подобно какому-то волшебному магниту.
Когда падают снежинки, у человека возникает ощущение радости и счастья, а еще, наверное, происходит очищение души.
Много произведений посвятил снегу М.М. Пришвин. “Как хорошо в предрассветный час полуодетому прямо с постели открыть дверь, выйти во тьму, захватить пригоршню пушистого, только что вылетевшего из облаков снега, потереть им лицо, шею и вернуться в теплый дом: какой у снега в этот утренний час бывает аромат”.
Красота снега вдохновляла и художников. Это видно на картинах А. Куинджи “Пятна лунного света в лесу. Зима”, “Солнечные пятна на инее”, “Зима. Пятна света на крышах хат”, “Закат в лесу”: В. Сурикова “Взятие снежного городка”, И. Грабаря “Февральская лазурь”, “Снежные сугробы”, “Белая зима”. (Хорошо показать эти картины).
И конечно, здорово, если прозвучит “музыка снега”, а в это время каждый изобразит свой зимний пейзаж на рисунке красками.
Содержание учебного материала и форма, в какой он преподносится учащимся, должны быть такими, чтобы у ребят сформировалось целостное видение мира и понимание места и роли человека в этом мире. Осмысление мира хорошо осуществить на основе обращения к диалектике симметрии и асимметрии, теория которой описана профессором Л.В. Тарасовым. Симметрия связана с сохранением, общим, закономерным. С асимметрией связаны изменение, частное, случайное.
С точки зрения симметрии снег, лед, все снежинки состоят из одинаковых молекул, обладают гексогональной решеткой, имеют общие свойства: цвет, температуру плавления, отражательную способность, низкую теплопроводность, – подчиняются общим законам: молекулы взаимодействуют друг с другом, на снег и снежинки действует сила тяжести, отражаются более 90% падающих солнечных лучей.
Можно предложить учащимся самим найти и другие доказательства симметрии.
С точки зрения асимметрии каждая снежинка уникальна. Вы никогда не найдете в природе двух одинаковых. Снег постоянно изменяется: меняется его плотность, он со временем темнеет, может исчезнуть. И опять можно предложить детям самим найти доказательства асимметрии.
Важно отметить, что именно сочетание симметрии и асимметрии определяет гармонию мира, его красоту.
Закончилась серия уроков о снеге. Главное, чтобы ребята увидели, что даже обычные природные явления, над которыми они не задумываются, имеют интересные физические объяснения. Может быть, раньше многие ученики не обращали внимания на снег, лед, снежинки. Слишком уж все это привычно. Теперь у них появится интерес к этому удивительному явлению природы. А главное, сам предмет физики станет казаться более увлекательным. В учебнике почти ничего нет о природе. И очень многие “скучные” явления, такие, как теплопроводность, свободное падение, плавление, полное внутреннее отражение, испарение, поверхностное натяжение, кристаллизация, режеляция, становятся более близкими, понятными, интересными, если они выступают как явления, объясняющие природу. Конечно, удобнее при изучении физики раскладывать явления природы по четырем привычным “полочкам” – механика, теплота. Электричество, оптика. Но Природе нет до этого дела. Она вокруг нас, а физика – только средство для изучения природы.
... Невозмутимый строй во всем,
Созвучье полное в природе...
Ф.И. Тютчев.