Водяные воронки.
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

Водяные воронки и смерчи.

Во все века жила, затаена,

             Надежда – вскрыть все таинства природы.

В.Брюсов

Задачи урока: сформировать знания о механизме образования водяных воронок и смерчей на основе гидро-  и аэродинамики, установить зависимость центробежной силы от массы тела, расстояния от оси вращения и угловой скорости.

Тема в учебном процессе: Силы в природе. 10 класс

Демонстрации: Центробежная сила, вращение ведра с водой, образование водяной воронки.

Дополнительное оборудование: кодоскоп, видеооборудование для просмотра фрагмента фильма «Смерч».

Мотивация.

Учитель.  Тема нашего урока – «Водяные воронки и  смерчи». Спросите у любого человека: «Что такое смерч?» - и вы получите однозначный ответ: «Это стихийное бедствие, несущее горе, разрушение, смерть.»А если спросить : «Что такое водяная воронка?» - то ответ будет не столь однозначен, потому что вспомнят о воронках , образующихся , например, при сливе воды в ванне, при размешивании сахара в стакане чая. И если воздушный смерч, к счастью, мы можем наблюдать только на экране, то водяную воронку вполне сможем пронаблюдать экспериментально. Наше занятие носит исследовательский характер, мы попытаемся разобраться в механизме образования водяных воронок и водяных смерчей, в ходе урока мы должны ответить  и записать в опорном бланке, который находится у каждого на парте, на следующие вопросы:

1. Какова физическая  природа возникновения водяных воронок и смерчей?

1. При каких условиях  и где часто  возникают?

1. Существуют ли способы предупреждения их возникновения и как оно связано с экологической обстановкой?

Объяснение нового материала

Теперь мы попытаемся раскрыть эти тайны, для этого будем использовать три главных оружия физика-исследователя – наблюдение, размышление и эксперимент.

По внешнему виду эти явления объединяют вращение и наличие засасывающей, втягивающей силы. Поэтому, несмотря на то, что эти явления не до конца изучены, в их основе лежат два закона – вращение характеризуется центробежной силой, А тайну жидкостей и газов объясняет закон Бернулли.

        Вспомним карусель на детской площадке в виде вращающегося диска. Думаю, многие из вас испытывали на себе ее действие. Где же легче удержаться при вращении диска – в его центре или у края? Правильно, в центре, почему? Будем считать, что наблюдатель находится на диске. Система отсчета, связанная с диском, является неинерциальной. В этой вращающейся системе находится неподвижное относительно  нее тело. На него действует сила, сбрасывающая его с диска, ее назвали центробежной силой инерции. Если на тело действует сила, получает ли тело ускорение?

Учащиеся. Да.        

Учитель. Куда направлена эта сила?

Учащиеся. От центра вращения, перпендикулярно оси вращения.

Учитель. Попробуем определить экспериментально,  от чего зависит ее значение.

Опыт 1. На вращающемся диске на разных расстояниях от оси вращения подвешены три  одинаковых шарика.

Учитель. Приведем диск во вращение с постоянной угловой скоростью. Какой из шариков отклоняется больше?

Учащиеся. Тот , что у края диска отклоняется больше, так как расстояние от оси вращения больше.

Учитель. Значит, центробежная  сила инерции зависит от расстояния до оси вращения, обозначим эту величину буквой R. Чем больше R, тем больше центробежная сила, зависимость прямая. Изменим опыт, увеличим скорость вращения, как меняется значение центробежной силы?

Учащиеся. Она увеличивается при увеличении скорости, если судить по отклонению шариков.

Учитель. Следовательно, центробежная сила инерции зависит от скорости вращения, опытным путем было установлено, что это зависимость квадратичная.

Теперь расположим на диске два тела различной массы на одинаковом расстоянии от центра. Приведем диск во вращение. Одинакова ли  центробежная сила , действующая на каждое тело?

Учащиеся. Нет, чем больше масса  тела, тем больше сила.

Учитель. На основании проделанных опытов можно сделать вывод, что центробежная сила инерции зависит от массы тела, скорости вращения, расстояния от центра вращения до тела.

Теперь рассмотрим основной закон движения жидкостей и газов – это закон, открытый швейцарским физиком Даниилом Бернулли в 1729 году. Этот закон гласит: давление в потоке жидкости или газа тем выше, чем меньше скорость, и наоборот. Именно на основании этого закона природы, мы можем объяснить, почему запрещается стоять вблизи быстро идущего поезда, почему во время бури срывает крыши. Между поездом и объектом образуется узкая щель., скорость воздуха в ней увеличивается, а давление,  по закону Бернулли уменьшается, следовательно, тело может притянуться к поезду.

Выступления учеников.

Объяснение водяных воронок.

 Ученик1. Раскрутим с помощью палочки воду в сосуде. Когда сливное отверстие закрыто, под действием центробежной силы инерции вода прижимается к стенкам. В результате давление на дно у стенок больше, чем в центре, так как там выше уровень воды. Вынимаем палочку. Избыточное давление воды у стенок заставляет воду перемещаться к центру. Кроме того, вращение у стенок замедляется из-за трения, а вихрь в центре еще некоторое время существует, следовательно, вода от стенок будет засасываться в этот вихрь, в область пониженного давления.

Ученик 2. Если открыть сливное отверстие, вода от центра устремляется наружу, при этом увеличивается скорость ее вытекания, так как отверстие сужается. Это приводит еще к большему понижению давления в центре и еще большему перемещению воды от стенок и как следствие, к увеличению размера воронки. В естественных условиях закручивание воды может происходить при встрече двух противоположно направленных потоков, к примеру, холодного и теплого, из-за порыва ветра, дующего под углом к поверхности. Водяные воронки могу достигать 3 м в глубину при радиусе 40-50метров.

Ученик 1.Воронки образуются и при кораблекрушении, из-за того, что тонущий корабль идет ко дну, увлекая за собой прилежащие слои жидкости, в воронку засасываются предметы находящиеся рядом.

Объяснение воздушных смерчей.

Ученик 3. Вы знаете, что в атмосфере Земли существуют мощные воздушные течения, перегоняющие воздух из области высокого в области  более низкого давления. Эти течения образуют большие вихри диаметром до нескольких тысяч километров, называемые циклонами и антициклонами.

 Ученик 4. Циклон характеризуется областью пониженного давления  в центре, ветры в нем кружат против часовой стрелки в Северном полушарии, - это потоки теплого влажного воздуха. Антициклон характеризуется областью повышенного давления  в центре, ветры в нем кружат по часовой стрелке в Северном полушарии, - это потоки сухого холодного воздуха. При встрече циклона и антициклона при высокой влажности и резком перепаде температур появляется мощный вихрь на высоте 2 – 15 км от земли. Наиболее благоприятны условия для образования смерча в центральных районах США в апреле-июне.

Ученик 3. ( сопровождается фрагментом фильма) В мощных грозовых облаках на высоте 10-15 км часто содержится большое количество влаги. Влага охлаждается, замерзает и падает вниз, увлекая воздушные массы.

Ушедший воздух восполняется равным по объему воздухом снизу( более прогретым). Он опять приносит влагу. Так в облаке образуется два вертикальных противопотока, движущихся по спирали. Когда в нижней части облака-вихря накапливается большое количество вращающихся дождя и града, то они выпадают из облака в виде конической или цилиндрической воронки – смерча.

Ученик 4. Под действием центробежной силы град и крупные водяные капли выбрасываются от стенок вихря, что приводит к сужению воронки. Предметы, втянутые воронкой, поднимаются в высоту, раскручиваются в вихре, а затем благодаря центробежной силе выбрасываются из воронки с большими скоростями.

Примеры:

2.   В1879 г. В штате Канзас пронесся смерч, он пересек реку, повернул назад, подхватил 75 метровый стальной мост и свернул его до размеров компактного свертка, выбросил мост обратно. Мост утонул, хотя глубина реки около 2 метров.
3. В Москве тоже случались смерчи. Самые сильные были в 1904 и 1945гг., а самый недавний в июне 1998г.

Закрепление на основе сравнительного анализа

Попробуем выяснить, в чем сходство и в чем различия этих физических явлений:

Похожи ли эти явления по характеру движения?

Что можно сказать о форме воронок?

Благодаря кокой силе происходит образование стенок воронок?

 Выполняется ли закон Бернулли?

Схожи ли условия возникновения?

Одинакова ли среда возникновения?

        Конечно же, эти сходства и различия лишь наши предположения, но связь их очевидна. Завершая урок, я хочу сказать , что еще много загадок таят в себе эти явления. И кто знает, может, именно вы сможете их разгадать?

О, сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог-изобретатель.

                              А.С.Пушкин

Контроль-  домашнее задание  - индивидуальная работа с материалом на опорных листках  ( заполнить таблицу, ответить на предложенные вопросы):

1. Почему , когда вы  проходите мимо шторы, она притягивается к вам?
2. Почему две баржи, проплывая рядом в одном направлении, могут столкнуться?