какая почва прогревается солнцем быстрее влажная или сухая
Исследовательская работа по физике с презентацией “Влияние влаги на тепловые свойства почвы”
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Государственное профессиональное образовательное учреждение
«Осинниковский политехнический техникум»
«Влияние влаги на тепловые свойства почвы»
Автор: Н.А. Колченко, группа ПР-19.4(1 курс)
Научный руководитель: О.К. Калинина, преподаватель
1.Физические характеристики тепловых свойств почвы……………. 3
2. Зависимость теплофизических свойств почвы от её влажности……..6
3. Практическая часть
3.1 Исследование зависимости скорости прогревания почвы от
влажности на садовом участке летом …………………………………. 9
3.2 Исследование зависимости скорости прогревания
почвы от влажности (в помещении)……………………………………..9
3.3 Исследование зависимости скорости прогревания
почвы от влажности (в помещении)…………………………………….10
3.4 Исследование зависимости скорости прогревания влажной
Цель работы: рассмотреть влияние влаги на тепловые свойства почвы
Гипотеза: влажная почва прогревается быстрее, чем сухая.
1) Изучить теоретический материал по рассматриваемой теме;
2) Спланировать и провести опыты по рассматриваемой теме;
3) Сравнить результаты опытов с теоретическим материалом и сделать обоснованные выводы.
Методы исследования: работа с литературой и интернет-ресурсами, проведение экспериментов.
В школе на уроках физики при изучении тепловых процессов часто рассматривается вопрос: «Какая почва летом прогревается быстрее – сухая или влажная?» И принято на него отвечать: «Влажная, поскольку её теплопроводность выше из-за наличия в ней воды».
Например, в сборнике задач по физике для основной школы под редакцией Орлова есть вопрос: «Почему земля прогревается быстрее после дождя, а не до него?» В ответах дано указание: «Влажная почва имеет большую теплопроводность». [2, с.382]
Но ведь на самом деле ответ на этот вопрос гораздо шире. В реальности на прогревание почвы влияет несколько факторов: теплопроводность, испарение, теплоёмкость, цвет. Какие же факторы оказывают решающее действие на скорость прогревания почвы? Попытаемся в этом разобраться.
1. Физические характеристики тепловых свойств почвы
Тепловой режим почвы включает в себя процессы поступления, переноса, накопления и отдачи тепла. Основным показателем теплового режима почвы является её температура, которая определяется притоком солнечной радиации и тепловыми свойствами самой почвы.[5]
Тепловые свойства почвы характеризуются следующими основными величинами:
Альбедо – количество солнечной радиации, отраженное поверхностью почвы по отношению к общей солнечной радиации, достигающей поверхности почвы, выраженное в %. Чем меньше альбедо, тем больше поглощает почва солнечной радиации.
Обычно различают удельную и объёмную теплоёмкости грунта. Удельная теплоёмкость численно равна количеству теплоты, необходимого для нагревания единицы массы вещества на один градус. Объёмная теплоёмкость численно равна количеству теплоты, необходимого для нагревания единицы объёма грунта на один градус. Ниже приведена таблица теплоёмкости составных частей почвы.
Таблица 1. Теплоёмкости составных частей почвы
Теплопроводность грунта характеризует его способность проводить тепло.
Основной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности (λ). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). Ниже приведена таблица теплопроводности составных частей почвы.
Таблица 2. Теплопроводность составных частей почвы
Температуропроводность (коэффициент температуропроводности( k )) характеризует скорость изменения температуры вещества в нестационарных тепловых процессах. Эта величина характеризует способность среды выравнивать свою температуру, которая определяется не только теплопроводностью среды, но и ее объемной теплоемкостью.
Коэффициент теплопроводности численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объема почвы при поступлении в нее тепла, численно равного ее теплопроводности:
2. Зависимость теплофизических свойств почвы от её влажности
Представим почву, как мельчайшие частички, между которыми в сухой почве находится воздух, а во влажной – вода. И на основе этой модели будем анализировать изменение теплофизических свойств почвы при её увлажнении.
При рассмотрении таблицы 2 можно сделать вывод, что содержание воды в почве увеличивает её теплопроводность по сравнению с сухой примерно в 25 раз (λ вод =0,005866 Дж/(см·с·ºС), λ возд =0,000210 Дж/(см·с·ºС).
Следовательно, увеличение теплопроводности будет способствовать более быстрому прогреванию влажной почвы и более быстрому её остыванию.
Температуропроводность почвы характеризует результирующее действие теплоёмкости почвы и её теплопроводности.
Проанализируем график изменения зависимости коэффициента температуропроводности от влажности почвы, полученный экспериментально при помощи термостата (рис.1). [3]
Как видно из графика, зависимость коэффициента температуропроводности от влажности различна для разных типов почв.
Лугово-серозёмные почвы имеют наименьшее содержание глинистых частиц, поэтому вода в этой почве быстрее заполняет пространство между частичками земли, и вследствие этого температуропроводность в такой почве с ростом влажности увеличивается быстрее. В пойменно-луговых почвах глинистых частиц содержится много, поэтому их температуропроводность меньше и с ростом влажности она увеличивается незначительно.[3]
Если почва только влажная, вода между частицами земли удерживается большой капиллярной силой, вследствие чего затрудняется её циркуляция, и она заметно не влияет на распределении теплоты почве. И поэтому слегка влажная почва по температуропроводности близка к сухой почве. [6] При дальнейшем увеличении влажности вода заполняет пространства между частичками воды и вытесняет воздух, что улучшает её температуропроводность, как это видно из графика. Но когда почва становится настолько влажная, что вода в её порах может циркулировать, то её температуропроводность уменьшается. Это может быть объяснено тем, что при нагревании сверху в верхних слоях почвы прогревающаяся вода, как менее плотная, стремится остаться на поверхности, а не опускаться вглубь почвы.
При увлажнении почвы её цвет становится темнее, что увеличивает её способность поглощать тепловое излучение. Уменьшение альбедо влажной почвы должно способствовать её более быстрому прогреванию, чем сухой.
Увлажнение почвы всегда связано с процессом испарения. Испарение воды происходит как с поверхности почвы так и из полостей между её отдельными структурами. Процесс испарения протекает с поглощением энергии и на него затрачивается значительное количество теплоты. Количественно испарение характеризуется скоростью испарения — массой воды, испарившейся с единицы поверхности за единицу времени.
Испарение влаги из почвы зависит от её структурного и механического состава. Например, песчаные почвы испаряют меньше, чем глинистые, и эта разница тем больше, чем крупнее частицы песка. А при диаметре песчинок более 2 мм испарения практически не происходит. [4 ] Кроме того, скорость испарения влаги из почвы зависит от её окраски, уплотнённости, неровности поверхности, температуры и влажности воздуха, ветра.
Процесс испарения влаги из почвы способствует её охлаждению и, следовательно, замедлению её прогревания.
Таким образом, из рассмотрения зависимости теплофизических свойств от её влажности можно сделать вывод: утверждать однозначно, что влажная почва прогревается быстрее, чем сухая, основываясь только на увеличении её теплопроводности, нельзя. Хотя температуропроводность почвы с ростом влажности увеличивается, но гораздо меньше, чем теплопроводность. Причём для разных типов почв эта зависимость различна. А с учётом испарения и уменьшения альбедо очень трудно однозначно ответить на вопрос: «Какая почва прогревается летом быстрее, сухая или влажная?». Не существует какой-то абстрактной почвы, на прогревание которой влияет только увеличение её теплопроводности.
В общем случае прогревание почвы зависит от её теплоёмкости, теплопроводности, температуропроводности, процесса испарения влаги, от её альбедо. В свою очередь эти величины зависят от типа и структуры почвы, от состояния её поверхности, от температуры окружающей среды, влажности воздуха и скорости ветра.
При рассмотрении скорости прогревания почвы в природе, а не в лабораторных условиях, обязательно надо охарактеризовать условия, при которых происходит процесс прогревания.
3. Практическая часть
3.1 Исследование зависимости скорости прогревания почвы от влажности на садовом участке летом (июль)
Оборудование: два комнатных термометра, почва рыхлая глинистая с перегноем
Участок земли разделялся перегородкой. По разные стороны перегородки делались две ямки глубиной 5 см. Вечером в них помещали термометры, показывающие одинаковую температуру и закапывали. Один из участков поливали из лейки водой, набранной заранее. В 12 часов дня термометры откапывали и смотрели их показания. Опыт проводили три раза. Результаты опыта приведены в таблице (3).
Таблица 3. Результаты опыта по исследованию влияния влажности воздуха на прогревание почвы на открытом воздухе.
Вывод из опыта 1: Не выявлено, что влажная почва прогревается быстрее, чем сухая. Наоборот, в большинстве случаев прогрев сухой земли был больше.
3.2 Исследование зависимости скорости прогревания почвы от влажности (в помещении).
Применяли почву для выращивания цветов (по структуре рыхлая, слегка влажная, состоит из очень мелких частиц, цвет чёрный)
Оборудование: лампа накаливания, термометры водный или комнатный, почва в пластмассовом контейнере.
Опыт проводили три раза.
Термометр закапывали в грунт на глубину 2-3 см и прогревали грунт в течение 1-2 часов. В третьем опыте контейнер с грузом обернули стекловатой, чтобы уменьшить теплообмен контейнера с окружающей средой. Результаты опытов представлены в таблице 4.
Вывод из опыта: Как и в опыте 1 в большинстве случаев прогрелась быстрее сухая почва.
3.3 Исследование зависимости скорости прогревания почвы от влажности (в помещении)
Применяли почву, запасённую осенью (очень сухая, состоит из твёрдых крупных частиц, цвет серый).
Оборудование: лампа накаливания, термометры комнатный и лабораторный, почва в пластмассовом контейнере.
Опыт проводили один раз. Прогревание почвы длилось 2 часа. Кроме термометра, который закапывали в почву, применяли лабораторный термометр, который при измерении температуры втыкали в грунт. Результаты опыта представлены в таблице 5.
Физика на грядках
Я мыслю, следовательно, я существую.
Р.Декарт
Какая почва – глинистая или чернозёмная – имеет большую теплопроводность?
Ответ. Глинистая, т.к. между её твёрдыми частичками мало воздуха, а он плохой проводник тепла. [Теплопроводность зависит и от свойств самого материала. Глина – алюмосиликаты; чернозём – смесь органических веществ. Как следует из таблицы, теплопроводность чернозёма, лишённого воздуха, почти в 15 раз меньше, чем у глины. Отметим, что органические вещества (дерево, жир и кость) имеют гораздо меньшую теплопроводность, чем у железа, кристаллическая решётка которого обеспечивает очень высокую скорость теплопередачи. – Ред.]
Вт/(м . К)
Дж /(г . К)
г/см –3
Почему уплотняется под ногой только что вскопанная земля?
Ответ. [Рыхлая земля уплотняется за счёт выдавливания воздуха между комочками.Точно так же образуются следы на мокрой почве или песке (в этом случае промежутки между частицами заполнены водой – средой тоже менее плотной). – Ред.]
Зачем мы перед посадкой вскапываем землю?
Ответ. Почва становится рыхлой, наполняется воздухом. Воздух – плохой проводник тепла, поэтому семена будут защищены от резких перепадов температуры. Кроме того, ростку легче преодолеть сопротивление почвы и выйти наружу.
Зачем только что сделанную грядку необходимо немножко пробороновать?
Ответ. Рыхление почвы, боронование, приводит к разрушению капилляров, а по ним почвенная влага поднимается на поверхность и испаряется. В результате боронования сохраняется влага в почве.
Какая земля нагревается в солнечную погоду быстрее: вскопанная или невскопанная? сухая или влажная? Что теплее: взрыхлённая почва или нет?
Ответ. Вскопанная земля темнее, значит, поглощает больше световой энергии и сильнее нагревается. Рыхлая почва обладает меньшей теплопроводностью из-за большого количества в ней воздушных промежутков, значит, она теплее. [Свежевскопанная земля меньше отдаёт тепло лежащей внизу холодной земле. – Ред.]
Что такое «сухой полив»?
Ответ. Это рыхление почвы, в результате чего разрушается образовавшаяся корка, а с ней и почвенные капилляры. [Так как почвенная влага не уходит по капиллярам корки на поверхность, лишний раз не надо поливать сверху. – Ред.]
Где быстрее высыхает почва после дождя: на дороге или на пашне? Как это объяснить?
Ответ. На дороге [там, в уплотнённом грунте, система капилляров быстрее выводит влагу на поверхность. – Ред.]
Какой грунт быстрее высохнет после дождя: песчаный или глинистый?
Ответ. [Песчаный. Вода быстро уйдёт в глубь песчаного грунта, сделав его поверхность сухой, а глинистый грунт долго будет влажным. – Ред.]
От кратковременных весенних заморозков растения на грядках защищает поздний вечерний полив – дождевание. Почему такие поливы рекомендуют проводить вечером, после захода солнца?
Ответ. Растения и почва с водой получают дополнительное тепло. Кроме того, с увеличением влажности теплопроводность почвы возрастает, и накопленное днём тепло (солнечное) ночью передаётся из нижних слоёв в верхние. Насыщенный парами приземный слой воздуха является как бы завесой, оберегающей почву от охлаждения. При понижении температуры ночью водяные пары конденсируются и в виде капель оседают на растения и почву, при этом также выделяется тепло. Обычно вечером нет ветра – и испарение меньше.
После хорошего дождя на огород лучше не заходить. Почему?
Ответ. Ноги вязнут в раскисшей земле. При вытягивании ноги из вязкого грунта, когда грунт плотно облегает ногу, под стопой создаётся разрежение. Поэтому нужно преодолевать не только сопротивление вязкой почвы, но и силу атмосферного давления. [Нужно также учитывать силы вязкого трения. Согласитесь, что было бы очень тяжело вынимать сапог из бочки с мёдом, у которого коэффициент вязкого трения в 10 000 раз больше, чем у воды. – Ред.]
Почему мы топаем ногами, чтобы стряхнуть налипшую на сапоги грязь?
Ответ. По инерции грязь продолжает движение и слетает с сапога, который уже остановился.
Почему камни поднимаются из глубины почвы к поверхности, хотя их плотность выше, чем плотность почвы?
Ответ. Камни «прорастают» на поверхность в результате чередующихся процессов замерзания и подтаивания земли зимой. Когда земля промерзает, граница льда в почве опускается. Если на границе промерзания оказывается камень, из-за более высокой теплопроводности в этом месте земля промёрзнет быстрее. Поэтому нижняя часть камня, охлаждаясь, покрывается льдом, который и выталкивает камень вверх, т.к. вода при замерзании расширяется. Когда земля оттаивает, мелкие частички почвы подмываются под камень и его положение закрепляется.
Отдохнуть при работе на огороде можно, сев на ведро. Как удобнее сидеть: на донышке или на ведре, перевёрнутом вверх дном?
Ответ. Давление обратно пропорционально площади, поэтому сидеть на плоском дне комфортнее, чем на ребре, – не режет. [С другой стороны, у металла малая теплоёмкость, и сидеть на дне может быть холодно. Ещё холоднее сидеть на холодной весенней земле. А вот в жару лучше сесть на землю. – Ред.]
Почему на грядке сидеть мягче, чем на утоптанной земле?
Ответ. Площадь соприкосновения тела с утоптанной землёй меньше.
Зачем для определения качества семян их кладут в водный раствор сахара или соли?
Ответ. В воде все семена тонут – и плохие, и хорошие. Плотность раствора больше, поэтому пустые семена всплывут, а полные останутся на дне.
Почему при посадке рассады ямки можно делать пальцем?
Ответ. Достаточно к пальцу приложить небольшую силу, чтобы получить достаточно большое давление.
Семена огурцов сажают в бороздки. Затем их засыпают землёй, уплотняют, а сверху грядку посыпают мульчой – торфом, навозом или опилками. Зачем?
Ответ. Мульча уменьшает испарение с поверхности и не даёт образоваться почвенной корке [в которой, во-первых, легко образуются капилляры (а через них почвенная влага уходит наружу). – Ред.], во-вторых, через прочную корку трудно пробиться ростку.
Как на ощупь определить, что у вас в руках – деревянный черенок лопаты или металлическая труба?
Ответ. Металл обладает гораздо большей теплопроводностью, чем дерево. При температуре окружающей среды ниже температуры тела человека металл кажется гораздо холоднее, т.к. количество теплоты, передаваемое в единицу времени от руки к металлу, больше, чем от руки к дереву. Можно наблюдать и обратный процесс. Тепло передаётся от предмета к руке (если температура воздуха выше, чем температура тела!), и от металла рука получит больше тепла в единицу времени, чем от дерева, – металл будет казаться горячее.
Почему легче носить воду на коромысле, чем в руках?
Ответ. [Коромысло – рычаг и позволяет весь груз переложить на точку опоры, т.е. практически на позвоночник. В странах Азии и Африки женщины носят груз на голове с той же целью. Когда мы несём вёдра в руках, то растягиваем сухожилия и суставы, что довольно болезненно. – Ред.]
На капусту часто нападают слизни. Против непрошеных гостей укладывают жгут из крапивы вокруг кочерыжки. Почему именно крапива «приходит на помощь» капусте?
Ответ. Иголки крапивы легко ломаются и жгут [из-за освобождения из них жгучей жидкости. Она-то и вызывает воспаление! – Ред.].
Почему срывая с грядки такой сорняк, как осоку, вы можете порезаться?
Ответ. Её края очень тонкие, и давление на пальцы может оказаться очень большим.
В ясную солнечную погоду можно увидеть, как по дну ведра с водой «бегают» солнечные блики. Почему они возникают?
Ответ. Мелкую рябь на поверхности воды можно рассматривать как маленькие линзы, которые фокусируют в разных точках солнечные лучи.
Работая в огороде, легко ушибиться. Как помочь?
Ответ. [Прекратить внутреннее кровотечение, вызванное ушибом, можно, либо охлаждая (рефлекторно сужаются капилляры), либо сжимая эту область (не даём крови вытекать из повреждённого сосуда). Поэтому к месту ушиба либо прикладывают лёд или монету (теплопроводность меди и серебра почти в 800 раз больше теплопроводности воды), либо трут (сжимают) его. – Ред.]
Почему капли дождя легко стекают с наклонного ската крыши парника? Почему не все капли стекают по плёнке, покрывающей грядку?
Ответ. [Они стекают под действием силы тяжести. Трение слоёв воды друг о друга (и о скат крыши) очень мало. Небольшие капельки удерживаются силой трения и силой поверхностного натяжения. – Ред.].
Гвоздь сравнительно легко выдернуть из сухой доски и трудно из набухшей. Почему?
Ответ. С одной стороны, вода играет роль смазки, что уменьшает коэффициент трения гвоздя о доску. С другой стороны, сила давления набухшей древесины на гвоздь больше, чем сухой, что увеличивает силу трения, которая равна произведению силы давления на коэффициент трения. Всё дело в соотношении этих сил.
Как красиво во время грозы и как страшно! При вспышке молнии движущиеся предметы кажутся как бы остановившимися. Почему?
Ответ. Вспышка молнии очень кратковременна – тысячные доли секунды [за это время предметы не успевают заметно сдвинуться друг относительно друга. После вспышки «ослепший» глаз некоторое время не видит дальнейшего движения предметов. – Ред.].
Почему вы ощущаете болезненную резь в глазах, резко закрыв их после того, как долго поработали на солнце?
Ответ. Световое ощущение получается в результате раздражения окончания глазного нерва продуктами распада светочувствительного вещества, которое содержится в колбочках и палочках, расположенных в сетчатой оболочке глаза. Светочувствительное вещество на свету разлагается, но не до конца, т.к. оно непрерывно вновь вырабатывается в палочках и колбочках. Для каждой освещённости автоматически устанавливается некоторое оптимальное содержание светочувствительного вещества. Процесс приспособления глаза от одной освещённости к другой весьма неприятен, а иногда вызывает болезненное ощущение. Связано это с тем, что значительное количество светочувствительного вещества разлагается за короткое время, вызывая болезненное раздражение глазного нерва.
С утра было жарко и душно. Стояла полная тишина. Через некоторое время стало темнеть, и началась гроза. Почему по этим признакам можно утверждать, что будет гроза?
Ответ. Было жарко, поэтому воздух у поверхности земли сильно прогрелся. Душно было из-за того, что воздух был насыщен водяными парами. Потоки влажного тёплого воздуха устремлялись вверх вследствие конвекции и вызвали образование туч.
Почему после дождя, промокнув, вы ощущаете на улице прохладу?
Ответ. Из-за испарения влаги с мокрой одежды, т.к. молекулы воды уносят часть энергии.
Почему после очень облачной ночи можно быть уверенным, что иней или роса не выпали?
Ответ. При облачной погоде часть теплового излучения Земли отражается от облаков к почве и не допускает сильного (до точки росы) понижения температуры земной поверхности и воздуха.
Почему непрозрачен туман, хотя он состоит из мельчайших капелек воды?
Ответ. На мельчайших капельках воды, составляющих туман, световые лучи рассеиваются.
Почти у каждого садовода есть бочка, в которой накапливается дождевая вода. Свежевыкрашенная бочка раньше стояла у нас просто на земле и быстро ржавела. Подкладывание кирпичей под неё не помогло, и тогда решили поставить бочку на деревянную решётку. Это спасло! В чём причина?
Ответ. Кирпич – пористый материал. В нём много капилляров, по которым из почвы поднимается вода. Деревянная решётка продувается снизу, и дно бочки всегда остаётся сухим.
Почему сорванные сорняки быстрее высыхают в ветреную погоду, чем в тихую?
Ответ. Интенсивность испарения возрастает при наличии ветра.
Ответ. Клетки растений заполнены не водой, а физиологическим раствором, который замерзает при температуре ниже нуля. Пока растение не замёрзло, в нём продолжается подъём растворов по капиллярам, хотя и очень медленно (из-за слабого испарения вблизи точки замерзания). При этом температура соков, поднимающихся из подземной части растения, чуть выше нуля. Кроме того, многие растения покрыты волосками, задерживающими движение воздуха. Создаётся неподвижный слой воздуха, являющегося хорошим изолятором.
Можно ли бегать по поверхности воды? Может ли вода течь вверх?
Ответ. Да, благодаря исключительно большому поверхностному натяжению (72 мН/м) – силе, стягивающей поверхность жидкости. Эта сила придаёт мыльному пузырю, падающей капле форму шара. Она поднимает воду в почве, поддерживает бегающих по поверхности пруда жуков, лапки которых водой не смачиваются.
Когда можно не увидеть красные помидоры на грядке?
Ответ. Если смотреть на них через красное стекло, т.к. оно пропускает только красные лучи и задерживает все остальные. [И всё-таки через красное стекло должны быть видны красные помидоры на фоне чёрных листьев. – Ред.]
Если вы долго работаете на солнце, то в глазах появляются тёмные пятна. Почему?
Ответ. Явление объясняется световым утомлением глаза. Места сетчатки, на которые попадает свет от ярких предметов, некоторое время не способны воспринимать свет. В это время, осветив сетчатку равномерно слабым источником света, можно видеть свет всюду, за исключением «слепых пятен» – мест, которые перед этим были ярко освещены. Так возникает образ чёрного предмета на сером фоне.
На другом конце огорода стояла сестра. Она что-то кричала, но на большом расстоянии её слова было невозможно разобрать. Почему?
Ответ. Чёткость восприятия 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 в ухо поступает пакет колебаний, отличающийся от испущенного, искажённый. И чем дальше приёмник звука находится от источника, тем больше это искажение. [А ещё сказывается эхо. – Ред.]
Почему искусственный шум (например, от работающего трактора) неприятен, а природные звуки (шум дождя, шелест листьев, потрескивание огня) действуют благотворно?
Ответ. Научные исследования показали, что во всех природных шумах определяющими являются одни и те же частоты – порядка 1000 Гц. Они относятся к зоне наилучшего восприятия слухового аппарата, вызывая приятное чувство успокоения и равновесия. Искусственные шумы, как правило, связаны со звуками более высоких тонов, приводящие живой организм в угнетённое состояние. [Не совсем верно. Шумы дороги, строек и сверла соседей по частоте гораздо ниже 1000 Гц и очень всех раздражают, а низкочастотный шум прибоя бывает очень приятен. Многие также любят ходить в консерваторию и слушать килогерцовые звуки! – Ред.]
Как по звуку отличить комара от пчелы?
Ответ. Звук зависит от частоты взмахов крыльев при полёте. Комар чаще машет крыльями, поэтому у него звук «тоньше», более высокий.
Почему в солнечный день около бочки с водой, а иногда даже на грядке можно обнаружить змей и лягушек?
Ответ. Пресмыкающиеся и земноводные – холоднокровные животные, у них температура тела зависит от окружающей среды. Они любят греться на солнышке, где потеплее, а металлическая бочка и чёрная земля быстро нагреваются.
Змеи видят и слышат плохо, однако охотятся в сумерках. Как это объяснить?
Ответ. Змеи имеют чувствительный «прибор» – термолокатор,– который располагается в ямках между ноздрями и глазами. Термолокатор реагирует на тепловое излучение. В сумерках, когда становится прохладно, тепловое излучение жертвы более резко выделяется на общем фоне.
Почему по бокам на плёнку кладут тяжёлые предметы? Какое действие оказывает ветер?
Ответ. В ветреную погоду плёнка может раскрыться. По закону Бернулли, чем больше скорость жидкости (или газа), тем меньше оказываемое ею (им) давление. В потоке воздуха вдоль плёнки давление меньше, чем под ней, где скорость воздуха значительно меньше. Из-за разности давлений поток воздуха «пробирается» внутрь и поднимает плёнку.
Почему во время работы на солнышке кожа краснеет?
Ответ. Из-за большого притока крови к подкожным сосудам: увеличивается внутренняя энергия, которую мы отдаём в окружающую среду во избежание перегрева. Тепло к поверхности тела переносится артериальной кровью.
Зачем тянуть за ботву морковь (и другие корнеплоды) надо медленно?
Ответ. Здесь играет роль инерция. При резком рывке морковь не успеет «выйти» из земли, и у вас в руке будет только ботва. [Здесь дело не в инерции, а в силах вязкого трения между корнеплодом и землёй, пропорциональных относительной скорости движения. Максимальная сила, которую мы можем приложить, зависит от предела прочности ботвы. При данном коэффициенте вязкости этой силе соответствует максимальная скорость, с которой мы можем вытащить корнеплод, не оборвав его ботву. Похожая ситуация возникает, когда надо оторвать липкую ленту от стекла. Тянуть надо медленно, чтобы успевала отлипнуть узкая полоса по границе контакта. Здесь дело в адгезии. – Ред.]
Зачем у резиновых сапог делают рифлёную подошву?
Ответ. Чтобы ходить по грядкам после дождя было безопасно, ноги не должны скользить. Рельефная подошва обеспечивает повышенное трение. [Трение можно увеличить только отводя воду по специальным каналам. Это делается также при производстве автопокрышек. Если просто насверлить дырочки в подошве и не соединять их между собой, то они не помогут. – Ред.]
Какое действие оказывает солнце на кожу во время прополки? Кто лучше загорает: уже загоревший или нет?
Ответ. Загар – это защита организма от чрезмерного действия ультрафиолетовых лучей. Излучение высокой частоты активно поглощаются загоревшей кожей, вызывая только её безвредное нагревание. [Загар – это появление меланиновых гранул в коже. Они могут поглощать некоторую часть УФ-излучения. Остальная часть может стать причиной раковых заболеваний кожи и расщепления фолиевой кислоты, необходимой составляющей витамина B. К сожалению, ультрафиолет не бывает безвреден. Поэтому всем рекомендуется использовать специальные кремы, поглощающие ультрафиолетовое излучение. – Ред.]
Почему срезать цветы лучше не ножницами, а острым ножом?
Как дольше сохранить свежей срезанную в огороде зелень?
Ответ. Вся трава быстро увядает от потери влаги. Поэтому зелень надо завернуть во влажную марлю и убрать в холодильник, что уменьшит испарение. [При таком охлаждении уменьшается давление насыщенного пара раза в три, но раз в десять уменьшается скорость всех биохимических реакций. Поэтому мы как бы консервируем цветок, когда кладём его в холодильник. – Ред.]
Над капустой часто летают бабочки-капустницы. Какую тень дают бабочки?
Ответ. [Форма тени, которую отбрасывает предмет, не полностью повторяет его очертания. Мешают конечные угловые размеры источника света (угловые размеры Солнца, 0,5°, или 0,01 рад) и дифракция. Угловой размер толщины усика (0,1 мм) бабочки, находящейся на высоте 100 мм над капустой, составляет 0,001 рад, что в 10 раз меньше углового размера Солнца. Потому-то не будут видны усики, острые края крыльев и граница между ними, а тень бабочки будет круглой и меньшей по размеру, чем она сама. Даже если Солнце было бы точечным источником, усики на грядке были бы не видны, – уже из-за дифракции. – Ред.]
Почему кажется, что длинные грядки вдали сходятся?
Ответ. Это эффект перспективы. С увеличением расстояния уменьшается угол зрения, под которым видны грядки.
Весной, как только станет тепло, на грядках начинают появляться всходы озимого лука, чеснока. Почему весеннее Солнце греет значительно сильнее зимнего, хотя и находится от Земли дальше, чем зимой?
Ответ. Зимой Земля даже ближе к Солнцу. Однако из-за наклона земной оси к плоскости земной орбиты солнечные лучи падают зимой на земную поверхность более полого, чем летом. Это приводит к уменьшению количества получаемого тепла в 3–4 раза, в то время как из-за «приближения» к Солнцу оно увеличивается всего примерно в 1,1 раза.
Зачем нужна теплица?
Ответ. В теплице создаются нормальные для роста растения влажность и освещённость, и что особенно важно, повышенная по сравнению с окружающей средой температура. [Солнечные лучи проникают сквозь прозрачную плёнку внутрь, нагревают землю и переизлучаются в более низкочастотном диапазоне, для которого плёнка уже непрозрачна. Это и есть «парниковый эффект». – Ред.]
Когда трудней идти: по утрамбованной земле или по неровной, с камнями, кочками? В тесной обуви или нет?
Ответ. «Препятствия» вызывают деформацию прежде всего подошвы ботинка, потом стельки, носка, а затем и ноги, причиняя неприятные ощущения, а иногда и боль. Чем стопа дальше от помехи, тем её прогиб меньше. Уменьшает деформацию ноги «прослойка» из хорошо деформирующихся материалов (войлока).
Почему ботинки, в которых вы работаете на огороде, не должны быть тесными? Зачем нужны сухие войлочные стельки и шерстяные носки?
Ответ. Войлок и шерсть – хорошие теплоизоляторы. Поэтому войлочные стельки и шерстяные носки, хотя сами не греют, зато хорошо «удерживают» тепло человеческого тела, а слой воздуха в просторном ботинке создаёт дополнительную теплоизоляцию. Теплоизоляционные свойства влажных носков и стелек в 3–4 раза хуже, т.к. промежутки между их волокнами заполнены водой, а вода имеет гораздо большую теплопроводность, чем воздух.
Почему самая высокая температура (когда жарче всего на огороде) бывает не в полдень (в 12 ч), а позже?
Ответ. Солнце в зените бывает не в 12 ч, а из-за принятого у нас декретного времени на 1,5 ч (в Москве) позже, да и нагревается Земля не сразу, а с некоторым запаздыванием.
Раньше у нас в деревне была церковь. Почему раньше наши бабушки могли по хорошей слышимости звона колоколов судить, что скоро наступит ненастье?
Ответ. Особая насыщенность и дальность колокольного звона указывают на повышенную влажность воздуха, что обычно предшествует ненастью. [Низкие частоты меньше поглощаются и рассеиваются во влажном воздухе. – Ред.]
Почему летом становится прохладно, когда облака «закрывают» солнце?
Ответ. Облака в основном отражают солнечные лучи и только малую их часть пропускают.
Мне приходилось не один раз ещё девчонкой встречать в деревне самый главный церковный праздник – Пасху. Рано утром выходила в огород и смотрела, как «играет» Солнце: диск Солнца «подпрыгивает» или меняет свою форму. Как это объяснить?
Ответ. Лучи восходящего Солнца проходят вблизи поверхности Земли. Весной почва в разных местах прогревается по-разному, поэтому воздух имеет различную плотность, а значит, и разный показатель преломления. Воздух вследствие конвекции движется, показатель преломления слоя, через который проходит луч Солнца, изменяется. Это вызывает колебания видимого диска Солнца, его «игру».
Почему цвета тускнеют во время заката Солнца и скоро совсем пропадают?
Ответ. Если наблюдать при закате Солнца за изменением окраски окружающих нас предметов, то можно заметить: предметы, особенно сильно отражающие лучи, с западной стороны кажутся оранжевыми или даже совсем красными, с восточной – тёмными, а тени от них имеют синюю или фиолетовую окраску, т.к. слабее освещаются. [Дело здесь в том, что чувствительность к свету колбочек (наших цветовых рецепторов) гораздо меньше, чем палочек (чёрно-белых рецепторов). Поэтому в сумерках мы видим всё серым. – Ред.]
Почему за трактором в сухую погоду долго тянется «шлейф» пыли?
Ответ. Поднявшиеся в воздух пылинки большой массы под действием силы тяжести быстро оседают. Пылинки же малой массы долгое время находятся во взвешенном состоянии, подобно броуновским частицам в жидкости. [Сила сопротивления при оседании частицы пропорциональна первой и второй степеням радиуса, а сила тяжести – его кубу. Поэтому крупные частицы падают быстрее. – Ред.]
Зачем мы используем трактор? Ведь некоторые люди весь огород копают лопатой. В чём они проигрывают?
Ответ. Трактор мощнее и за одинаковое время выполнит работы больше, чем человек. Копая огород лопатой, теряем время и силы! [Зато экономим деньги. – Ред.]
Во время работы на жаре организм теряет много воды. Поэтому хочется «промочить» горло. Почему из кружки вода выливается непрерывным потоком, а из бутылки – прерывистой струей (булькает)?
Ответ. При вытекании воды из кружки внутрь свободно поступает воздух, в результате давление на воду в кружке равно атмосферному. [При вытекании же из бутылки вода полностью закрывает узкое горлышко, воздух в бутылку не поступает, и давление в ней уменьшается по сравнению с атмосферным – создаётся разрежение, временно удерживающее воду в бутылке. – Ред.]
Струя воды льётся из лейки сначала сплошным потоком, затем становится всё тоньше и разделяется на отдельные капельки. Почему?
Ответ. Из носика капли вытекают с разными скоростями – около стенок скорость меньше, чем в центре. Поэтому центральная часть струи вырывается вперёд, и мы видим, что струя сужается.В воздухе внешняя часть струи также тормозится о воздух, и струя продолжает сужаться. [Мысленно выделим в вертикально падающей струе два сечения: повыше и пониже. Из-за действия силы тяжести нижнее сечение движется быстрее верхнего (оно дольше ускорялось). Масса столба воды между сечениями постоянна, вода несжимаема, следовательно, высота столба воды в процессе падения увеличивается, а поперечное сечение уменьшается. Что сжимает струю, не позволяя ей распасться на части? Сила поверхностного натяжения. Но именно она и разбивает струю, когда сечение становится критически малым. Так энергетически выгоднее: потенциальная энергия поверхностного натяжения у серии капель меньше, чем у тонкого столба. – Ред.]
Почему высота фонтана никогда не достигает уровня воды в водонапорной башне?
Ответ. В результате совершения работы силой трения кинетическая энергия воды, текущей по шлангу, частично превращается во внутреннюю энергию этой воды и шланга.
Когда можно увидеть капельки воды на паутине?
Ответ. Чем холоднее воздух, тем меньше влаги он может удержать. Когда температура понижается до так называемой точки росы, содержание пара в воздухе становится предельным, и пар конденсируется – на траве и паутине появляются капельки росы.
В чём причина сияния капелек росы?
Ответ. [В явлении дисперсии. О бликах на теневой и солнечной сторонах капли прекрасно написано в книге
Я.Гегузина «Капля». По отношению к падающему свету капля играет роль сферической линзы, в которой два раза происходит преломление лучей. Поэтому вблизи поверхности капли, где лучи выходят из неё, освещённость резко увеличивается. Это и есть первый (цветной) блик – на теневой поверхности капли. Второй блик связан с отражением падающего от Солнца света и аналогичен появлению солнечных бликов на слегка волнующейся поверхности воды. – Ред.]
Почему удалённые предметы видны нечётко?
Ответ. [Свет рассеивается на микрочастицах пыли и пара. – Ред.]
Дождь на огороде мы решили переждать под широкой кроной яблони. Вначале капли были редкие, но крупные, затем посыпались мелкие-мелкие капельки. Какие капли падали быстрее: мелкие или крупные?
Одинаково ли давление воды в бочке на её дно и на стенки?
Ответ. Нет. Закон Паскаля описывает распространение давления, оказываемого на жидкость или газ, а не создаваемого ими. Из формулы 
видно, что гидростатическое давление зависит от глубины.
Наблюдая ранним утром за ночной бабочкой, можно заметить, что, перед тем, как взлететь, она довольно долго подрагивает крылышками. Почему?
Ответ. Бабочка «разогревается», подобно спортсмену, делающему разминку перед стартом. Часть совершаемой ею механической работы идёт на увеличение внутренней энергии.
Литература
Елькин В.И. и др. Физика и астрономия в походе и на природе. – М.: Школьная пресса, 2003.
Синичкин В.П., Синичкина О.П. Внеклассная работа по физике. – Саратов: Издательство «Лицей», 2002.