Вывучэнне фізічных з’яваў каля вадаёма
Шмат вякоў таму назад наш далёкі продак першы раз задаў сабе пытанне: чаму ў навакольным свеце адбываюцца розныя з’явы? Зараз ужо немагчыма ўстанавіць, які менавіта факт засяродзіў ягоную ўвагу і прымусіў шукаць прычыну таго, што адбываецца. Магчыма, што гэта было наступленне змроку пасля таго, як сонца схавалася за небакрай, або холад пры пагаслым вогнішчы, а можа ўзнікненне іскры пры моцным удары аднаго каменя аб другі… Але якім бы ні быў выпадак, што выклікаў дапытлівасць чалавека, узнікненне першага пытання сталася цудоўнай вяхой у эвалюцыі чалавека.
Знаёмячыся з навакольным светам у дзяцінстве, мы задаём старэйшым шмат пытанняў. Цікавасць дзіцяці выклікае ўсё: чаму вада, замярзаючы ператвараецца ў лёд, чаму чайнік, закіпаючы, пачынае забаўна шумець, а накрыўка на ім падскокваць, чаму месяц вісіць у прасторы?.. І ці ж можна пералічыць усе дзіцячыя „чаму”?
Дзіця не толькі звяртаецца з пытаннямі да дарослых, але часта імкнецца знайсці адказ самастойна. Хто ж не спрабаваў, узброіўшыся адвёрткай або ножыкам, даведацца, чаму звоніць будзільнік або рухаюцца завадныя цацкі? З узростам людзі задаюць менш пытанняў, пачынаюць саромецца пытацца, хоць часта так і не маюць адказу на пытанні, што турбавалі іх у дзяцінстве. І ўжо амаль не звяртаюцца да „смелага” даследавання.
Стаўшы дарослымі, мы пачынаем цікавіцца кваркамі і квазарамі, забываючы нашы дзіцячыя пытанні, адказы на якія здаюцца нам відавочнымі. Але ці ж настолькі яны відавочныя? Ці на многія „чаму” вы здолееце адказаць? І ці ўпэўнены вы, што адкажаце правільна? Верагодна, што, задумаўшыся аб „відавочным”, вам давядзецца правесці сапраўднае даследаванне.
За час свайго свядомага існавання чалавек зразумеў, што асабліва каштоўным з’яўляецца актыўнае пазнанне свету, якое здабываецца пры дапамозе ўласнага досведу. Таму трэба імкнуцца заўсёды, дзе толькі магчыма, самастойна назіраць за прыроднымі з’явамі, упэўніцца ў правільнасці вядомых тлумачэнняў. Самастойна праведзеныя доследы раскрыюць перад вучнямі магчымасць творчага пазнання прыроды.
У наш час назіраецца спад цікавасці да вывучэння фізікі. Адна з прычын – гэта завышаны ўзровень ведаў, якімі павінен авалодаць выпускнік масавай сярэдняй школы. Яшчэ адной прычынай змяншэння цікавасці да вывучэння фізікі можна назваць змену прыярытэтаў у грамадстве. У 60-я гады Я. Еўтушэнка напісаў: «Что-то физика в почете, что-то лирика в загоне». Зараз-жа надышоў час прыярытэту гуманітарных навук. Людзі імкнуцца аднавіць мараль і духоўнасць, у выніку чаго працэс навучання набывае гуманітарны ўхіл.
Але ўсё ж сучасны адукаваны чалавек разумее, што, набываючы больш дакладнае веданне законаў прыроды, чалавек усё больш і больш становіцца здольны ўладарыць над прыродай, карыстацца яе сілай для таго, каб палепшыць умовы свайго існавання. Безумоўна, што гуманітарная адукацыя вельмі важная, але дрэнна тое, што яна ў даволі шырокіх колах нашага грамадства лічыцца адзіна дастатковай. Калі чалавек ніколі не чытаў Пушкіна, Шэкспіра, Дзюма, то яго лічаць неадукаваным. Але калі ён нічога не ведае пра тое, з чаго складаецца паветра або вада, ці як захоўваецца энергія – гэта лёгка даруецца яму.
У большасці выпадкаў настаўнікі, навучаючы, робяць усё магчымае ў дадзеных умовах. Але каб дасягнуць лепшых вынікаў, добра было б часам накіравацца са сваімі вучнямі на шырокую арэну жыцця, каб на з’явах жывой прыроды або на прыкладзе вытворчых працэсаў пацвердзіць вывучанае ў класе. Бывае і так, што чалавек, уражаны поспехамі прыродазнаўчых навук і адчуваючы патрэбу набыць адпаведныя веды, бярэ ў рукі нейкі падручнік фізікі. Але гэты шлях далёка не заўсёды прывядзе яго да мэты. Бо фізіка – гэта навука, якая ўвесь свой змест бярэ з практычнага досведу. Таму вывучэнне фізікі становіцца паспяховым толькі тады, калі яно спалучаецца з досведам, гэта значыць непасрэдным назіраннем за фізічнымі з’явамі, спалучаным з доследамі. Большасць падручнікаў фізікі уяўляюць сабой толькі інструкцыі, якія служаць падставай выкладання прадмета, і толькі настаўнік можа зрабіць гэта выкладанне жывым і цікавым. Зразумела, што сучасная фізічная лабараторыя застаецца лепшым месцам для вывучэння фізікі. Але ўважлівы і ўдумлівы назіральнік і ў звычайным жыцці вёскі ці горада знойдзе такое мноства павучальных з’яваў, што менавіта тут можна пад кіраўніцтвам дасведчанага настаўніка набыць веды ў фізіцы ў неабходным для кожнага адукаванага чалавека аб’ёме. «Ад чалавека, які такім чынам хоча вывучыць фізічныя з’явы, адзіна патрабуецца: глядзець на навакольны свет уважліва, шырока раскрытымі вачыма. Толькі ў такім выпадку можна спадзявацца, што ён сам зможа зразумець многія з’явы, бо ні адзін падручнік не ў стане ахапіць усю разнастайнасць нашага свету” (Леапольд Пфаўдлер).
Каб выкладанне фізікі не абмяжоўвалася толькі набыццём ведаў у акрэсленым накірунку, але спрыяла таксама агульнай адукацыі і духоўнаму развіццю вучняў і, такім чынам, выконвала сапраўды гуманітарную задачу, не трэба абмяжоўвацца толькі „фізікай крэйды і губкі”, але таксама імкнуцца прыблізіць навучанне да рэальных жыццёвых сітуацый.
Я лічу, што настаўнік-прыродазнаўца ў стане адказаць на выклік часу і ўпэўнены, што многія вучэбна-выхаваўчыя задачы будуць вырашацца лепш, калі часам праводзіць вучэбныя заняткі на прыродзе. „Лепшая ў свеце кніга – прырода, і ўсе павінны бы заняцца яе вывучэннем” (Бернар Палісі)
У якасці прыклада разгледзім, якія фізічныя з’явы можна назіраць каля рэчкі, возера ці ручая.
Мэта: развіццё цікавасці да вывучэння фізікі (або прыродазнаўства, калі занятак праводзіцца ў пачатковых класах).
Заняткі можна праводзіць у любой узроставай групе (яго змест і даступнасць формы павінен адпавядаць узросту і праграмным патрабаванням). Занятак праводзіцца па-за класам.
Працягласць: 45 – 60 хвілін.
Матэрыялы: качыныя і курыныя пёркі, кавалачак мыла, саломінкі, сухія травінкі, тэрмометр, пэндзлікі, іголкі, кавалачак тлушчу або масла, каменьчыкі, палка даўжынёй 1,5 – 2 м, алей. Пры адсутнасці вадаёма можна выкарыстаць водаправод і шланг. Можна правесці занятак і па іншым плане.
Змест занятку:
а) назіранне за качыным пёркам (Ціск і сіла трэння)
Звярніце ўвагу на качынае пёрка, якое плыве па паверхні вады, а адзін канец яго загнуты ўверх, як маленькі ветразь. Падзьмуў ветрык і пёрка паплыло па вадзе, як лодачка пад ветразем. Можа першабытны чалавек, перш чым прымацаваць да бервяна звярыную шкуру, каб прымусіць вецер дапамагчы яму пераправіцца цераз раку, уважліва назіраў, як плыве такое пёрка? А цяпер давайце падумаем, ад чаго залежыць хуткасць руху пёрка па вадзе (ад сілы ветру, ад плошчы загнутага ўверх пёрка, ад вязкасці вадкасці, ад ступені змочвальнасці). Калі мы зловім пёрка, то заўважым, што яно застаецца зусім сухім: вада не змагла змачыць яго тлустую паверхню. Ці ўсім птушкам адпавядае гэта з’ява? Водаплаваючыя птушкі не тонуць у вадзе, таму што іхняе пер’е не змочваецца вадой. Гэта адбываецца таму, што заўсёды перад і пасля купання яны шчодра змазваюць яго тлушчам, які вырабляюць спецыяльныя залозы. Гэты тлушч птушка пры дапамозе дзюбы ўцірае ў сваё апярэнне. Сіла прыцяжэння паміж малекуламі вады вялікая, у той час як узаемадзеянне паміж малекуламі тлушчу і вады – слабае. Таму пёры птушак, змазаныя тлушчам, не намакаюць у вадзе. Да таго ж паміж пёркамі і пухам знаходзіцца паветра, аб’ём якога даволі значны. Напрыклад, у качак колькасць паветра паміж пухам і пёрамі дасягае 650 см3. Менавіта паветра, якое ўтрымліваецца паміж апярэннем і ўнутры пёраў, асабліва моцна зніжае сярэднюю шчыльнасць цела птушкі, прыкладна да 0,6 г/см3. Дзякуючы гэтаму водаплаваючыя птушкі не тонуць.
б) назіранне за ўласнай галавой і мыльнай пенай (паверхневае нацяжэнне ў капілярных з’явах)
Калі твае валасы не вельмі коратка абстрыжаны, то можна правесці такі дослед: калі галаву апусціць пад ваду, то валасы тырчаць ва ўсе бакі, але, як толькі мы пачнём падымаць галаву з вады, валасы зліпаюцца і шчыльна прыліпаюць да галавы. Гэты прыклад добра паказвае, як праяўляецца паверхневае нацяжэнне ў капілярных з’явах. Валасы зліпаюцца не тады, калі паміж імі вада, а тады, калі паміж імі ўтвараецца вадзяная плёнка, якая імкнецца скараціцца. Можна выкарыстаць для правядзення гэтага доследу пэндзлік з мяккімі варсінкамі: у вадзе варсінкі распраўляюцца, а падчас вымання пэндзліка з вады варсінкі сціскаюцца. Яшчэ адно назіранне з раздзела капілярных з’яваў можна зрабіць падчас звычайнага ўмывання. Калі на паверхню вады кінуць трошку мыльнай пены, ад яе імкліва разбягуцца ва ўсе бакі дробныя бурбалачкі – іх цягне сіла паверхневага нацяжэння, якая ў чыстай вады большая, чым у мыльнай. (каб з’ява назіралася лепш, можна на паверхню вады накідаць дробных сухіх саломінак ці травінак).
в) дзе і чаму вада цяплейшая (Цеплаправоднасць)
Калі летнім ранкам увайсці ў ваду (або апусціць руку), то вада падасца цяплейшай, чым яна была ўчора ў поўдзень. Гэта азначае, што за ноч паветра астыла больш, чым вада. Чаму так адбываецца? А калі нырнуть глыбей (або апусціць тэрмометр), то можна ўпэўніцца, наколькі вада халаднейшыя на глыбіні. Гэта і ёсць пераканаўчая ілюстрацыя невялікай цеплаправоднасці вады.
г) чаму сцябліны водарасцяў мяккія (Архімедава сіла)
Звярніце ўвагу на мяккія сцябліны вадзяных раслін, якія паслухмяна згінаюцца па цячэнні вады. Гэтыя расліны пастаянна падтрымліваюцца выштурхоўваючай сілай вады, таму не маюць патрэбы, у адрозненне ад наземных раслін, у трывалых сцяблінах. Многія водарасці захоўваюць вертыкальны стан, ня гледзячы на іх надзвычайную гнуткасць таму, што на канцах іхніх разгалінаванняў знаходзяцца буйныя пухіры паветра, якія выконваюць ролю паплаўкоў.
д) колькі рэк выцякае з возера (злучаныя сасуды)
Вядома, што калі з возера выцякае рака, то практычна заўсёды адна. Колькасць рэк, што ўпадаюць у возера, можа быць якой заўгодна, але выцякае звычайна толькі адна. У Байкал упадае 336 рэк, а выцякае толькі Ангара. Факт, чаму з возера можа выцякаць толькі адна рака, можна растлумачыць, калі нават выкарыстаць водаправодную ваду. Заглыбленне ў грунце запаўняецца вадой. У выпадку, калі запас вады ў заглыбленні (возеры) невялікі, стоку вод не адбываецца. Дапусцім, што ў возера паступіць больш вады, (запаўняем наша заглыбленне вадой усе больш), чым выпараецца з яго паверхні – у такім выпадку узровень вады ў ім будзе паступова павышацца. Калі ўзровень вады дасягне ўзроўню найбольш глыбокага з магчымых пры дадзеным берагавым рэльефе стокаў, утвараецца рака, якая выцякае з возера. Як толькі пачнецца сток воды з возера (заглыблення), далейшае падвышэнне ўзроўню вады ў ім спыняецца. Увесь лішак вады, што паступае ў возера (заглыбленне), будзе сцякаць праз функцыянуючы сток. У выніку ўсе астатнія патэнцыйныя стокі не будуць выкарыстоўвацца. Узровень вады ў возеры проста не падымецца да іхняга узроўню. Але калі прыток вады акажацца настолькі вялікім, што адзін сток ужо не спраўляецца з лішкам вады, то ўзровень вады ў возеры (заглыбленні) будзе працягваць падымацца і можа дасягнуць узроўню яшчэ аднаго стоку. Тады з возера (заглыблення) будуць выцякаць ужо дзве ракі. Але такая сітуацыя рэдкая і няўстойлівая. З часам рэчышча, па якім цячэ большы паток і дзе хуткасць вады большая, будзе размывацца. Сток воды па гэтым рэчышчы павялічыцца. У выніку ўзровень вады ў возеры (заглыбленні) панізіцца і сток па больш мелкай рацэ спачатку зменшыцца, а потым і зусім спыніцца. У канчатковым выніку выцякаць застанецца толькі адна самая глыбокая рака.
ж) след на мокрым пяску (патэнцыйная энергія)
Падчас прагулкі па беразе ракі ці возера вы напэўна заўважалі, што калі наступіць на мокры пясок на пляжы, то пясок заўважна святлее, становячыся больш сухім. Але як толькі мы здымаем нагу, след зараз жа запаўняецца вадой. У чым жа тут прычына? Уявіце сабе аднолькавыя шарыкі, пакладзеныя на плоскасці такім чынам, каб яны дакраналіся адзін да аднаго. У лункі паміж шарыкамі першага слоя пакладзём шарыкі другога; кожны будзе дакранацца да трох ніжніх і шасці суседніх; такое размяшчэнне называецца шчыльнай упакоўкай шароў. Калі на гэту сістэму ўздзейнічаць сілай, якая здольная парушыць „шчыльную ўпакоўку”, то сістэма зменіць сваю форму. А зараз вернемся да пяску на беразе. Ён таксама „шчыльна спакаваны”. Ад ціску нагі сукупнасць атачаючых яе пясчынак дэфармуецца так, што вада з верхніх слаёў перамяшчаецца углыб і ў бакі, запаўняючы прастору паміж пясчынкамі; паверхня пяску нібы высыхае. Але калі мы здымаем нагу з гэтага месца, то выціснутая вада хутка запаўняе пакінуты след.
з) як утвараюцца пырскі (паверхневае нацяжэнне)
А чаму ад кроплі дажджу, якая падае ў ваду, разлятаюцца пырскі? (стварыць вадзяныя кроплі можна проста, выкарыстаўшы любую ёмкасць і ваду). У момант падзення кроплі ў вадзе ўтвараецца заглыбленне, а ў момант яе пагружэння наверх выштурхоўваецца цыліндрычная паверхневая плёнка воды, якая імкнецца сціснуцца, а таму распадаецца на „стрыжанькі”, якія размяшчаюцца сіметрычна. Прычым яны змяняюць сваю форму так, каб іхняя паверхня, а разам з ёй і паверхневая энергія, зменшылася. А паколькі мінімальную паверхню мае шар, то ў стрыжанькоў утвараюцца перацяжкі і яны „разбіваюцца” на сферычныя кропелькі. Так утвараюцца пырскі. А ад чаго залежыць вышыня іх пад’ёму? Яна залежыць ад памеру кроплі і хуткасці руху, якая ўстанавілася. А а хуткасць, у сваю чаргу, залежыць ад вышыні падзення і фізічных якасцей вадкасці: вязкасці і паверхневай энергіі. У вязкіх вадкасцях, напрыклад гліцэрыне, вязкасць якога пры t 20°С у 100 раз перавышае вязкасць вады, энергія падаючай кроплі расходуецца толькі на тое, каб пераадолець супраціўленне асяроддзя, і яе не хапае на ўтварэнне стрыжанькоў і пырскаў. А ці можна разлічыць максімальную вышыню, на якую залятаюць пырскі? Спачатку трэба дамовіцца, што мы маем на ўвазе маленькія дажджавыя кроплі, што падаюць на зямлю з хмараў, захоўваючы сваю амаль сферычную форму і хуткасць, якая ўстанавілася. Вучоныя вылічылі, што гэта хуткасць роўная 1 м/с. Вышыню, да якой дасягаюць пырскі, можна прыблізна вылічыць, скарыстаўшы закон захавання і пераўтварэння энергіі: mv2/2=mgh. Левая частка гэтага выразу – кінетычная энергія дажджавой кроплі ў момант, калі яна трапляе ў ваду (m – маса кроплі), а правая – патэнцыйная энергія пырскаў, якія падняліся на аднолькавую максімальную вышыню (h) і ўтварыліся са стрыжанька. Для прастаты прымем, што з кроплі атрымаўся ўсяго адзін стрыжанёк; m яго маса. Адсюль h= v2/2g.
Калі дапусціць, што v=1м/с, g=10м/с2, тады h=1м2/с2/2 • 10м/с2=5см.
Атрыманае разліковым шляхам значэнне h можна параўнаць з яго эксперыментальным значэннем – яны супадаюць. Прыведзенымі прыкладамі не вычэрпваюцца ўсе з’явы, якія можна назіраць, апынуўшыся каля вадаёма, і растлумачыць іх, грунтуючыся на законах адпаведных раздзелаў фізікі. Пры вывучэнні фізікі варта выкарыстоўваць розныя метады. Канешне, вывучаючы фізіку, трэба перш за ўсё мець добры падручнік, які дасць сістэматызаваныя веды па фізіцы, яе паняццях, законах, метадах. А прапанаваны падыход да вывучэння прадмета будзе спрыяць развіццю пазнавальнай цікавасці да яго вывучэння.
Сяргей Гарбацэвіч,
ст. выкладчык Мінскага Дзяржаўнага педагагічнага ўніверсітэта імя Максіма Танка
