1. ШКАТУЛКА КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ
ПО ФИЗИКЕ: «сборная солянка» :-)
Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые,
иначе такое бросание будет пустою забавою.
Козьма Прутков
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Качественные задачи по физике появились в русской методической литературе свыше
200 лет назад. Однако среди физиков нет единодушного мнения об их наименовании и
определении. Предлагались самые различные названия: «практические задачи»,
«практические вопросы», «логические задачи», «устные задачи», «проверочные
вопросы», «качественные вопросы» и другие. Такое разнообразие наименований
свидетельствует о разносторонности методических достоинств данного типа задач,
поскольку каждое из названий отражает какую-нибудь одну их сторону.
Все приведённые названия приблизительны. Термин «качественные задачи» также не
вполне точен, потому что некоторые качественные характеристики явления находят своё
объяснение в соответственных количественных соотношениях. Но этот термин
подчёркивает главную особенность задач такого типа – внимание в них, акцентируется
на качественной стороне рассматриваемого физического явления. Решаются такие
задачи путём логических умозаключений, базирующихся на законах физики.
Каждый раз, как происходит то или иное явление, – особенно если это что-то новое, –
вы должны задать себе вопрос: – в чём здесь причина? Почему так происходит?» и рано
или поздно вы эту причину поймёте. Майкл Фарадей
Майкл Фарадей (22.09.1791–25.08.1867) – английский физик-экспериментатор, химик.
Основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически
оформил и развил Максвелл. Член Лондонского королевского общества и множества
других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской
Майкл Фарадей
Томас Филипс
1842 год
2. академии.
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного
производства электричества и многих его применений. Создал первую модель
электродвигателя. Среди других его открытий – химическое действие тока, законы
электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал
электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины: ион, катод, анод,
электролит, диамагнетизм, парамагнетизм и др.
Разбор качественных задач, не осложнённых в отличие от решения, традиционных задач,
достаточно громоздкими вычислениями, позволяет сосредоточиться на главном:
формировании у учащихся физического мышления, ясного и чёткого понимания
физических законов, понятий и представлений.
КЛЮЧ К РЕШЕНИЮ КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ;-)
…Вот однажды, гуляя по лесу, Пух вышел на полянку.
На полянке рос высокий-превысокий дуб, а на самой верхушке этого дуба кто-то громко
жужжал: жжжжжжж…
Винни-Пух сел на траву под деревом, обхватил голову лапами и стал думать.
Сначала он подумал так: «Это – жжжжжжж – не спроста! Зря никто жужжать, не
станет. Само дерево жужжать не может. Значит, тут кто-то жужжит. А зачем
тебе жужжать, если ты – не пчела? По-моему, так!» Потом он ещё подумал, подумал и
сказал про себя:
«А зачем на свете пчёлы? Для того чтобы делать мёд! По-моему, так!»
Тут он поднялся и сказал:
– А зачем на свете мёд? Для того чтобы я его ел! По-моему, так, а не иначе!
И с этими словами он полез на дерево…
Алан Александр Милн. Винни-пух и все-все-все
Шкатулка качественных задач по физике, предлагаемая вашему вниманию, будет
пополняться постепенно по мере накопления материала. Большое значение при подборе
задач будет отведено интеграции.
Многие задачи будут сопровождаться занимательными комментариями, позволяющими
разобрать поставленный вопрос в полном объёме, а также в значительной степени
повысить общий уровень эрудиции учащихся. К некоторым задачам будут даны ответы.
обновлено 15.12.2012
Для того чтобы не превращать шкатулку в большой и неподъёмный сундук :-))) решила
навести на этой зелёной страничке порядок ;-)
Вашему вниманию представлена «сборная солянка» из четырёх тематических блоков:
• Броуновское движение. Диффузия;
• Атмосферное давление;
• Свойства жидкости. Архимедова сила;
• Тепловые явления.
3. Для каждого блока сформирована композиция из семи задачек ;-) В ближайшее время на
сайте появится новая зелёная страничка «Шкатулка качественных задач по физике: Сила
трения» ;-)
обновлено 22.05.2013
Посвящается весеннему дождику ;-)
Задачка к эпиграфу зелёной странички: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими
образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою».
Козьма Прутков
КРУГИ НА ВОДЕ
Качественная задачка по физике от Якова Исидоровича
Перельмана ;-)
Камень, брошенный в стоячую воду, порождает волны, разбегающиеся кругами. Какой
формы получаются волны от камня, брошенного в текущую воду реки?
Ответ: Если не найти сразу правильного подхода к этой задаче,
то легко запутаться в рассуждениях и прийти к выводу, что в
текущей воде волны должны вытянуться в форме не то эллипса,
не то овала, притуплённого навстречу течению. Между тем,
внимательно наблюдая за волнами, разбегающимися от
брошенного в реку камня, мы не заметим никакого отступления
от круговой формы, как бы быстро ни было течение.
Здесь нет ничего неожиданного. Простое рассуждение приведёт
нас к выводу, что волны от брошенного камня должны быть
круговые и в стоячей, и в текущей воде. Будем рассматривать
движение частиц волнующейся воды как составное из двух
движений: радиального – от центра колебаний – и переносного,
направленного по течению реки. Тело, участвующее в нескольких
движениях, в конечном итоге перемещается туда, где очутилось
бы оно, если бы совершало все составляющие движения
последовательно, одно за другим.
Поэтому допустим сначала, что камень брошен в неподвижную
воду. В таком случае волны, конечно, получатся круговые.
Представим себе теперь, что вода движется – безразлично, с
какой скоростью, равномерно или неравномерно, лишь бы движение это было
поступательное. Что произойдёт с круговыми волнами? Они передвинутся
параллельным перемещением, не претерпевая никакого искажения формы, то есть
останутся круговыми.
«Занимательная физика»
Яков Исидорович Перельман. Издательство «Наука». Москва – 1966 г.
Козьма Петрович Прутков – литературная маска, под которой в 50–60-е годы XIX века
в российских журналах «Современник», «Искра» и других… выступали поэты Алексей
Константинович Толстой и братья Алексей, Владимир, Александр Жемчужниковы
(фактически :-) Козьма Прутков – их коллективный псевдоним).
Гюстав Кайботт (фр. Gustave Caillebotte; 1848–1894) – французский коллекционер и
Йер, Дождь
Гюстав Кайботт
1875 год
4. живописец, представитель импрессионизма.
Йер (Yerres) – река на севере Франции, правый приток Сены.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ. ДИФФУЗИЯ
Задача №1
В людях. Максим Горький
«Я уже не спал, наблюдая, как сквозь щели дровяника пробиваются ко мне на постель
лучи солнца, а в них пляшет какая-то серебряная пыль – эти пылинки, точно слова в
сказке».
Поясните текст (о каком движении идёт здесь речь)?
Задача №2
Драма на охоте. Антон Павлович Чехов
«…От окна до моей кровати шёл широкий солнечный луч, в котором, гоняясь одна за
другой и, волнуясь, летали белые пылинки, отчего и сам луч казался подёрнутым матовой
белизной».
Поясните текст (о каком движении идёт здесь речь)?
Задача №3
Изделия из натуральных тканей (хлопка, шерсти, шёлка) имеющих пёструю расцветку
следует стирать в воде, температура которой не превышает 30°C. Объясните почему.
Рассмотрите значки на этикетках от кофт, пиджаков, брюк поясните их. Почему не
следует замачивать и стирать вместе цветное и белое бельё?
Задача №4
С каким физическим явлением связана цементация железа, т.е. насыщение его
поверхностного слоя углеродом с образованием карбида железа (железные изделия
нагревают в течение нескольких часов в коробке, заполненной угольным порошком)?
Для любознательных: «…Демидовское железо, старый русский соболь, – писала в
середине прошлого века английская газета "Morning Post", – играет важную роль в
истории нашей промышленности; оно впервые было введено в Великобритании в начале
XVIII века и много способствовало к основанию знаменитости шеффилдских изделий».
Откройте секрет Демидовских мастеров ;-)
Задача №5
В полистироловой фляге длительное время хранился керосин. Если в эту, даже очень
тщательно вымытую флягу налить молоко, то в нём мы всё же будем чувствовать запах
керосина. Объясните почему?
Задача №6
В старинной книге перед страницами с рисунками подклеены листы тонкой прозрачной
бумаги. Почему на сторонах этой бумаги, соприкасающихся с рисунками, со временем
появились отпечатки рисунка?
5. Ответ: Со временем в результате диффузии частицы краски перешли на листы бумаги.
Задача №7
Горючие природные газы, широко используемые в качестве топлива в промышленности и
в быту, не имеют запаха. Чтобы можно было быстрее заметить скопление газа в
помещении и предотвратить возможность взрыва или отравления людей, к газу
примешивают сильно пахучее вещество – одорант. Объясните, почему достаточно
израсходовать всего несколько граммов одоранта на тысячи кубометров газа, чтобы
придать газу резкий запах.
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Задача №1
Мысли и афоризмы. Козьма Прутков
«Барометр в земледельческом хозяйстве может быть с большей выгодою заменён
усердной прислугою, страдающей нарочитыми ревматизмами».
Поясните афоризм.
Конь Рыжий: Сказания о людях тайги. Алексей Тимофеевич Черкасов, Полина
Дмитриевна Москвитина
«…Кроме книг Василий Кириллович собрал знатную коллекцию ртутных и механических
барометров, которыми завешал всю свою просторную спальню. Погоду же он
предугадывал не по ста барометрам, а по собственному ревматизму…»
Прокомментируйте этот отрывок.
Задача №2
Сосуд «наказанное любопытство» устроен так: в дне сосуда проделаны узкие отверстия.
Если сосуд наполнить водой и закрыть пробкой, вода из сосуда не выливается. Если
открыть пробку, то вода потечёт из всех отверстий. Объясните почему.
Задача №3
Ознакомьтесь с устройством маслёнки, применяемой для смазывания швейных машин, и
объясните её действие.
Ответ: При надавливании пальцами боковые стенки маслёнки прогибаются внутрь и
сжимают находящийся над поверхностью масла воздух, который своим давлением
вытесняет часть масла через узкое отверстие трубки наружу. Самостоятельному
вытеканию масла из маслёнки препятствует атмосферное давление.
Задача №4
Почему при быстром спуске самолёта (в автобусе при движении по горной автостраде) у
пассажиров закладывает уши? Что рекомендуется делать, чтобы избежать этих
неприятных ощущений?
6. Задача №5
Какую роль при питье играет атмосферное давление? Наливаем в стакан минеральной
воды, делаем несколько глотков и объясняем то, что ощущаем… с точки зрения физики :-)
Ответ: Когда мы пьём, то под губами над поверхностью воды создаём область
пониженного давления воздуха. Благодаря атмосферному давлению вода устремляется в
эту область и попадает к нам в рот.
Задача №6
Почему рекомендуется открывать рот во время выстрела артиллерийского орудия?
Задача №7
Почему трудно пить из опрокинутой бутылки или фляги, когда её горлышко плотно
охвачено губами? Поведите эксперимент ;-)
Ответ: Общее давление воды и воздуха в бутылке не превышает того давления, которое
создаётся во рту и в лёгких человека во время вдоха (при расширении грудной клетки);
поэтому вода не льётся в горло человека, плотно охватившего губами горлышко бутылки
или фляги.
СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ. АРХИМЕДОВА СИЛА
Задача №1
Интересная поговорка: «Как с гуся вода». Как можно её
прокомментировать с точки зрения физики? На рисунке
изображён дикий арктический гусь.
Для любознательных: «С нас беда, как с гуся вода»,
«Стряс беду, как гусь воду» (из книги «Пословицы и
поговорки русского народа» Даля Владимира Ивановича).
Поговорка эта не просто интересная… это часть древней заклинательной формулы ;-)
Заботливые родители, купая чадо в бане, приговаривали: «Как с гуся вода, с нашего
Ванечки – худоба (то есть болезнь)». И простодушно верили :-), что всякие напасти
сбегут с их сына так же быстро, как сбегает вода с гусиного оперения.
Гусь – одна из древнейших домашних птиц. Судя по библейским текстам, древнеримским
рукописям и китайским документам, гусей разводили уже 3000 лет назад :-)
7. Девочка с гусями. Малороссия
Бодаревский Николай Корнилович, 1892 год
Бодаревский Николай Корнилиевич (1850–1921) – российский живописец, портретист,
академик Императорской Академии художеств, член Товарищества передвижных
художественных выставок.
Задача №2
Мишкина каша. Николай Николаевич Носов
«…Мишка взял бутылку с подсолнечным маслом. Налил масло на сковородку и сунул в
печь прямо на горячие угли, чтоб поскорей зажарились. Масло зашипело и вдруг
вспыхнуло на сковородке пламенем. Мишка вытащил сковородку из печки, – масло на ней
пылает. Я хотел водой залить, а воды у нас в доме ни капли нет. Так оно и горело, пока
всё масло не выгорело. В комнате дым и смрад, а от пескарей одни угольки остались».
Правильно ли было тушить горящее масло водой, и как правильно нужно было тушить?
Задача №3
Причуды природы. Игорь Иванович Акимушкин
«…Живущие в быстрых горных ручьях личинки подёнок плоские снизу, выпуклые сверху.
Прилепятся плотно ко дну или камням, и омывающая их вода по известным в
гидродинамике законам прижимает личинку ко дну или камню, и не
сносит». О каких законах гидродинамики идёт здесь речь? Поясните.
Для любознательных: Подёнки (Ephemeroptera), отряд крылатых
насекомых. Как и стрекозы известны с каменноугольного периода. Во
время крылатых фаз живут недолго от нескольких секунд до нескольких
суток, некоторые виды 1 день (отсюда и название). Ротовые органы
редуцированы. Кишечник превращён в воздушный пузырь, так как во время
крылатых фаз подёнки не питаются. В «свадебном» танце подёнок,
парящий эффект обусловлен не только широкими крыльями и длинным
брюшком с тонкими членистыми нитями, подобно парашюту
замедляющими её падение, но и наполненный лишь воздухом кишечник
который выполняет функции своеобразного аэростата. Личинки подёнок живут долго
8. по два-три года. Живут в воде. На нижних челюстях у многих из личинок подёнок есть
присоски, преобразованные из жабр. На рисунке изображена подёнка обыкновенная в
крылатой фазе – субимаго.
Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – писатель, учёный-биолог,
популяризатор биологии, автор научно-популярных книг о жизни животных.
Задача №4
Кара-Бугаз. Константин Георгиевич Паустовский
«…Наш кок отпросился искупаться, но залив его не принял. Он высоко выкидывал ноги, и
при всём тщании кок погрузиться в воду не смог. Это повеселило команду и улучшило её
дурное расположение. Кок к вечеру покрылся язвами и утверждал, что вода залива
являет собой разбавленную царскую водку, иначе серную кислоту».
Почему кок не смог погрузиться в воду залива Кара-Богаз-Гол?
Для любознательных: Вода в заливе отличается большой концентрацией соли. Её
плотность составляет примерно 1200 кг/м3
.
Кара-Богаз-Гол – залив-лагуна у восточного берега Каспийского моря (Туркмения).
Тюркский язык (кара – чёрный; богаз – горло, проход; гол – озеро). Казахский язык
относится к кыпчакской группе тюркских языков.
Царская водка – смесь концентрированных кислот – соляной HCl и азотной HNO3 (3÷1
по объёму). Растворяет все металлы, в том числе и золото Au (отсюда название –
«Царская водка» – данное алхимиками, которые считали золото «царём металлов») за
исключением Ag – серебра, Rh – родия, Ir – иридия.
Задача №5
Под водой. Борис Степанович Жидков
Проблемный вопрос: всегда ли на тело, погружённое в жидкость, действует Архимедова
сила?
«Лейтенант вздрогнул. Минёр вопросительно на него взглянул.
– Сели на мель? Так ведь? спросил он лейтенанта. Рули были поставлены на подъём,
винт работал, приборы показывали, что лодка на той же глубине. Лейтенант вспомнил,
что тут в порту глинистое, липкое дно…»
Почему подводной лодке иногда бывает трудно оторваться от глинистого дна?
Ответ: Архимедова сила не возникает в том случае, когда вода не проникает между
лодкой и дном, то есть на нижнюю поверхность лодки не действует давление воды.
Задача №6
На поверхности воды в ведре плавает пустая медная кружка. Изменится ли уровень воды в
ведре, если кружку утопить?
Ответ: Уровень воды в ведре понизится, так как, плавая, кружка вытесняла больше
воды.
Задача №7
Опыт «Водяной подсвечник». Возьмите стеариновую свечу. На нижнем конце закрепите
небольшой грузик и опустите в стеклянный сосуд с водой. Свеча должна плавать, как
9. поплавок. Верхний конец с фитилём чуть выступают над водой. Как долго будет гореть
свеча? Наблюдайте за горением свечи. Она догорит почти до конца. Как объяснить это
явление?
Ответ: В процессе горения постепенно убывает сила тяжести, действующая на свечу.
Для её равновесия выталкивающая сила должна уменьшаться, а это возможно только с
подъёмом свечи.
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Задача №1
Что произойдёт с пустыней Намиб, если температура воды Бенгельского течения резко
повысится?
Ответ: Пустыня исчезнет, так как изменится условие, препятствующее возникновению
конвекции и выпадению осадков из поднимающихся вверх воздушных масс. Из-за того,
что у поверхности океана, температура воздуха, охлаждённого Бенгельским течением,
ниже, чем в верхних слоях атмосферы, атмосферная влага над пустыней Намиб только
конденсируется в виде росы (за счёт испарения в холодные часы с поверхности океана).
Задача №2
Долина Смерти – самое низкое место на океанском континенте и самое жаркое место в
мире. Здесь температура может держаться около 50°C в течение нескольких дней.
Казалось бы, что в долине должно быть прохладно, поскольку её окружают горы, где
воздух холодный, и, как известно он опускается вниз, а горячий воздух поднимается
вверх. В действительности же всё наоборот. Объясните данное явление.
Ответ: Скопление горячего воздуха в Долине Смерти определяется адиабатическим
процессом, являющимся следствием быстрого спуска с гор воздушного потока. Разность
давления в долине и на вершине горы при адиабатическом процессе обусловливает
сильный нагрев воздушного потока, – возникает сухой и горячий ветер, который за
длительное время превратил Долину Смерти в пустыню.
Задача №3
Одной из характерных черт всех пустынь являются постоянно дующие ветры, порой
достигающие скорости 15–20 м/с, а иногда и более. Объясните причину их возникновения.
Ответ: Причинами возникновения постоянно дующих ветров является чрезмерное
прогревание и связанные с ним интенсивные конвекционные потоки воздуха, а также
формы рельефа.
10. Караван, застигнутый песчаной бурей недалеко от Гизы
Caravan Caught In The Sinum Wind Near Gizah
Иоганн Якоб Фрей, 1845 год
Иоганн Якоб Фрей (Johann Jakob Frey; 27.01.1813–30.09.1865) – швейцарский художник-
пейзажист.
Айвазовский Иван Константинович (Ованнес Айвазян; 29.07.1817–02.05.1900) –
всемирно известный русский художник-маринист, баталист, коллекционер, меценат.
Караван в оазисе. Египет
Айвазовский Иван Константинович, 1871 год
Для любознательных: В пустынях оазисом называется расположенный около
естественного водоёма островок растительности. Оазисы могут существенно
различаться по величине и характеру, от небольших прудов, окаймлённых финиковыми
11. пальмами до целых городов с сельскохозяйственной деятельностью и промышленностью.
Оазисы образуются благодаря подземным рекам или водоёмам, вода в которых способна
достичь поверхности земли вследствие достаточного собственного давления или при
помощи источников, организованных человеком. Некоторые оазисы подпитываются
случайными кратковременными ливнями. Непроницаемый нижний слой почвы из горных
пород и камня также способствует удержанию воды в водяных карманах, подземных
разломах или в дайках вулканического происхождения.
Задача №4
В США западные склоны гор холмов, как правило, более густо покрыты растительностью,
чем восточные. Бывает, что восточный склон практически гол. Объясните это явление.
Ответ: В США в основном дуют западные ветры, которые гонят влажный воздух с
Тихого океана. Встречаясь с горами, поток воздуха поднимается вверх. Это процесс
адиабатический (замкнутый), так как система не получает теплоты извне и не отдаёт
её. Известно, что в горах с увеличением высоты давление уменьшается. Воздух,
охлаждаясь, конденсирует капли влаги, которая и выпадает в виде дождя на западном
склоне, что стимулирует рост растений.
Задача №5
Повесть о настоящем человеке. Борис Николаевич Полевой
«…Из припудренной утренним инеем хвои высунулась длинная бурая морда, увенчанная
тяжёлыми ветвистыми рогами. Испуганные глаза осмотрели огромную поляну. Розовые
замшевые ноздри, извергавшие горячий парок встревоженного дыхания, судорожно
задвигались».
Прокомментируйте этот отрывок с точки зрения физики. Какое несоответствие допущено
в тексте?
Задача №6
Валдайские колокольца. Марк Симович Ефетов
«…Дверь была не заперта. Мы вошли, напустив с собой клубы белого морозного пара,
отчего окошки в избе сразу помутнели, будто их затянуло туманом».
Прокомментируйте этот отрывок.
12. Задача №7
Боярин Орша. Михаил Юрьевич Лермонтов
«…Светает. В поле тишина.
Густой туман, как пелена
С посеребрённою каймой,
Клубится над Днепром-рекой…»
Почему над рекой образуется туман? Почему туман над рекой
имеет «посеребрённую кайму»?
Ответ: Ночью воздух над поверхностью воды охлаждается больше, чем сама вода, и его
температура оказывается ниже. Потому с тёплой водной поверхности в холодный
воздух испаряется водяной пар, который в воздухе конденсируется в капельки тумана.
По краям области, занимаемой туманом, плотность его меньше. Солнечные лучи
проникают сквозь граничные области тумана и создают впечатление, будто туман
имеет «посеребрённую кайму».
Волков Ефим Ефимович (04.04.1844–17.02.1920) – русский живописец, пейзажист, член
Товарищества передвижных художественных выставок, действительный член и академик
Императорской Академии художеств.
И в заключение ещё одна задачка – «литературная иллюстрация» ;-) и целых четыре
вопроса :-)
Качественная задачка по физике от Ханса Кристиана
Андерсена ;-)
История года. Ханс Кристиан Андерсен
«В деревне стояла настоящая зима и было, пожалуй, ещё холоднее, чем в городе. Резкий
ветер носился над заснеженными полями, крестьянин в больших тёплых рукавицах ехал
на санях, похлопывая руками, чтобы выколотить из них мороз; кнут лежал у него на
коленях, но исхудалые лошади бежали рысью; пар так и валил от них. Снег скрипел под
полозьями, а воробьи прыгали по санным колеям и мёрзли».
1. «В деревне стояла настоящая зима»… Почему в городе теплее, чем в его окрестностях?
2. Поясните, почему при потирании и похлопывании рук друг об друга, можно
«выколотить из них мороз»?
3. Почему от лошадей «пар так и валил»? И правильно ли называть это паром?
4. Почему «снег скрипел под полозьями»? Что является причиной этого скрипа? Почему
чем крепче мороз, тем сильнее скрипит под ногами снег?
Желаю Вам успехов в самостоятельном решении
качественных задач по физике!
Туманное утро
Волков
Ефим Ефимович
1890 год
