Проект "Невероятные физические явления"

Тематика: 
Автор: 
Климова Ксения Владимировна 
Руководитель: 
Бушуева Наталья Леонидовна
Учреждение: 
МБОУ МО г. Краснодар СОШ №70
Класс: 
9

В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Невероятные физические явления" ученица 9 класса школы провела изучение некоторых физических явлений, встречающихся в природе, а также проанализировала природу и происхождение явлений, опираясь на последние научные открытия.

Подробнее о проекте:


В учебной исследовательской работе по физике "Невероятные физические явления" автор изучает теоретический материал по выбранной теме, рассказывает, что такое молния, кто занимался ее изучением и какие молнии встречаются в природе. Также ученицей были изучены частота и ударная волна молнии, рассмотрено это физическое явлении в контексте мира животных и человека.

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Невероятные физические явления" автор описывает, что такое полярное сияние и солнечный ветер, приводит интересные научные сведения о каждом из этих физических явлений. В данной работе физические явления рассмотрены с точки зрения их влияния на жизнедеятельность человека, на процессы, происходящие на планете Земля.

Оглавление

Введение
1. Молния.
1.1. Молния.
1.2. История изучения молнии.  
1.3. Молнии облако-земля.
1.4. Внутри облачные молнии.
1.5. Шаровая молния.
1.6. Частота.
1.7. Ударная волна.
1.8. Люди, животные и молния.
2. Полярное сияние.
2.1. Полярное сияние.
2.2. Интересные факты.
3. Солнечный ветер.
2.3. Солнечный ветер.
2.4. Интересные факты.
Заключение
Список литературы

Введение


Для того чтобы найти нужную информацию для моей исследовательской работы, я побывала в городской библиотеке, прочитав множество книг и статей, искала информацию в интернете и наконец-то готова рассказать вам о моём  проекте «Невероятные физические явления». И так, начнём:

Электрическийискровой разряд в атмосфере – это Молния. Обычно она может происходить во время грозы, проявляющаяся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом.

На заполярных просторах, занимающих около ¼ территории РФ, можно встретить феноменальное, поразительное, необыкновенно красивое оптическое явление разноцветного свечения самого близкого к Земле слоя атмосферы тропосферы – полярное сияние. Это удивительно красивое и очень зрелищное природное явление, которое неожиданно появляется в ночном небе, и так же неожиданно исчезает. Оно возникает из-за солнечного света.

Когда я выбрала эту тему, то сразу появились вопросы. Как возникают молнии? Почему сияние называют полярным? Почему молния сопровождается громом? Почему меняются цвета, формы? Что такое «солнечный ветер»?  На эти и другие вопросы нам предстоит ответить.

Актуальность данной темы: рассмотреть  физические явления с точки зрения их влияния на жизнедеятельность человека, на процессы, происходящие на планете Земля, перспективы и возможности использования в ближайшем будущем их энергии, их силы во благо человечеству.

Цель работы: изучить физические явления.

Задачи:

  1. Изучить каждое из явлений.
  2. Изучить природу и происхождение явлений, опираясь на последние научные открытия.
  3. Обобщить полученные результаты.

Объекты исследования: молния, полярное сияние, солнечный ветер.

Молния


Мо́лния — электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и др. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10—500 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт.

Самая длинная молния была зафиксирована в Оклахоме, её протяжённость составила 321 км. Самая продолжительная молния была зафиксирована в Альпах, её длительность составила 7,74 секунды. Рекордно большая разность потенциалов во время грозы в 1,3 ГВ была зарегистрирована в 2014 г.

Молния – это яркий во всех смыслах пример передачи электроэнергии без проводов. Молния получается, когда между облаком и землей образуется напряжение более 100млн вольт, сильное эллектрическое поле разрывает молекулы воздуха на заряженные ионы и электроны, отрицательные электроны летят к земле, а положительные ионы к облаку эти частицы разгоняются в эллектрическом поле натыкаются на другие молекулы и делают с ними тоже самое, запускается цепная реакция которая называется «электрический пробой» в воздухе образуется проводящий канал, по которому эллектро- энергия в виде молнии передается с неба на землю.

Возможно, кто-то из вас мог подумать, что от молний можно заряжать приборы, но это было бы не очень удобно. Чтобы управлять этим процессом, нужно создать искусственное электрическое поле, но для этого нужно высокое напряжение, чтобы поле получилось достаточно сильным для образования проводящего канала. Такой прибор был изготовлен еще в 19 веке знаменитым сербским ученым Николе Тесла. Высокочастотный генератор Тесла может создавать очень мощное электрическое поле, в котором запросто образуются пробои и разряды.

Молнии получаются из-за электрического пробоя, а предугадать место его появления невозможно, поэтому молнии в природе носят случайных характер, но если очень хочется вызвать молнию, то создать подобие пробоя можно искусственно, например: запустить ракету в грозовую тучу. Вдоль всей траектории полета ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал для молнии, также провод для молнии можно сделать выстрелив в тучу струей воды или направив лазерный луч который тоже ионизирует воздух.                                                                                                                   

История изучения молнии

Молния издавна считается объектом внимания со стороны человека. Ее проявления были популярны ещё с глубочайшей древности. В идолопоклонстве молнию считали работой более могущественных богов: Зевса - в древнегреческой мифологии, Перун - в славянской. Поражение молнией являлось карой божьей. В соответствии с этим, для обороны от молнии совершались конкретные ритуалы и ритуалы. Из древней и славянской мифологии представление о молнии, как об инструменте божественной работы перешло и в христианство.

Не обращая внимания на восприятие молнии как проявления высочайших сил, уже в античности были обнаружены конкретные закономерности в поражении объектов молнией. Ещё Фалесом был описано, что молния чаще всего ударяет в высочайшие порознь заслуживающие объекты. В Средние века молния нередко становилась предпосылкой пожаров в древесных городках, откуда пошло правило, что невозможно возводить жилища повыше храма. Храмы, находящиеся, как правило, на возвышенных пространствах, делали в данных случаях роль молниеотводов.

Было еще подмечено, что металлизированные купола реже поражаются молнией. Становление физики в XVII — XVIII веках выдвинуло версию о связи молнии и электроэнергии. В частности, такового представления держался М. В. Ломоносов. Электронная природа молнии была раскрыта в исследовательских работах южноамериканского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электроэнергии из грозового тучи . Очень популярен опыт Франклина по выяснению электронной природы молнии. В 1750 году им размещена работа, в которой описан опыт с внедрением невесомого змея, запущенного в грозу. Навык Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.

Молнии облако-земля

Процесс развития такой молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

Анимация молнии облако-земля


По мере продвижения лидера (яркий термоионизованный канал с высокой проводимостью) к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 20000—30000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров.

После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженной, поэтому принято считать, что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле (сверху вниз)

Внутри облачные молнии

физические явления 1

Внутри облачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутри облачных молний растёт по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосферами.

Виды внутриоблачных молний

«Эльфы» - представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс).

«Джеты» - представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), продолжительность джетов больше, чем у эльфов.

«Спрайты» - трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Шаровая молния

Шаровая молния — редчайшее природное появление, оно выглядит как блестящее и плавающее в воздухе свечение . Принято понимание , что шаровая молния — это  явление электронного происхождения, натуральной природы, и имеет облик молнии, существующей длительное время и имеющее форму шара, способного передвигаться по хаотичной или неопределенной линии движения.

По показаниям свидетелей , шаровая молния как правило бывает замечена в грозовую, штормовую погоду; нередко в одном ряду с нормальными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводника или же порождается нормальными молниями, временами опускается с туч , в редких случаях — внезапно бывает замечена в воздухе или может выйти из какого-нибудь предмета (дерево, столб).

Есть большое количество гипотез, объясняющих появление , но ни одна  из их не имеет безоговорочного признания в академической среде. Одна  из ведущих гипотез происхождения шаровидный молнии была разработана в 2010 году австрийскими учёными Джозефом Застольем и Александром Кендлем из Института Инсбрука.

Они выдвинули гипотезу - что свидетельства о шаровых молниях возможно воспринимать , как проявление фосфенов — зрительных чувств без влияния на глаз света, то есть шаровые молнии считаются галлюцинациями.

физические явления 2

Частота

физические явления 3

Частота молний на квадратный километр в год по данным спутникового наблюдения за 1995—2003 годы

Чаще всего молнии возникают в тропиках. Местом, где молнии встречаются чаще всего, является деревня Кифука в горах на востоке Демократической Республики Конго. Там в среднем отмечается 158 ударов молний на квадратный километр в год.

физические явления 4

Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % — в землю.

Зачастую молния, попадая в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывает их возгорание. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

Ударная волна


Разряд молнии считается электронным взрывом и похож на детонацию взрывчатого препарата. Он вызывает возникновение ударной волны, небезопасной в конкретной близости. Ударная волна от довольно массивного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров имеет возможность наносить разрушения, разламывать деревья, травмировать и контузить людей в том числе и без конкретного проигрыша электронным током.

К примеру , при скорости нарастания тока 30 тыс. ампер за 0,1 миллисекунду и поперечнике канала 10 см имеют все шансы наблюдаться надлежащие давления ударной волны:

  • на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) — 0,93 МПа, собственно что сравнимо с ударной волной, образовываемой тактическим ядерным орудием ,
  • на расстоянии 0,5 м — 0,025 МПа, собственно что сравнимо с ударной волной, вызванной взрывом артиллерийской мины и вызывает разрушение шатких строй систем и травмы человека,
  • на расстоянии 5 м — 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека). На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну — грохот.

Люди, животные и молния

Молнии — серьёзная угроза для жизни людей и животных. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по каналу наименьшего электрического сопротивления, что в общем случае соответствует кратчайшему пути «грозовое облако — земля».

Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно. Однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать внутрь здания через щели и открытые окна.

Пострадавший от удара молнией нуждается в госпитализации, так как подвержен риску расстройств электрической активности сердца. До приезда квалифицированного медика ему может быть оказана первая помощь. В случае остановки дыхания показано проведение реанимации, в более лёгких случаях помощь зависит от состояния и симптомов.

По одним данным, каждый год в мире от удара молнии погибают 24 000 человек и около 240 000 получают травмы. По другим оценкам, в год в мире от удара молнии погибает 6000 человек.

Пострадавшие от удара молнии:

  • Российский академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб, вероятно, от удара шаровой молнии во время проведения научного эксперимента.
  • Казанский губернатор Сергей Голицын — 1 (12) июля 1738 года погиб во время охоты от удара молнии.
  • Советник министра здравоохранения РФ Ланской Игорь Львович — 18 августа 2017 года погиб во время грозы возле Девичьей башни в Судаке (Крым) от удара молнии
  • Американец Рой Салливан, сотрудник национального парка, известен тем, что на протяжении 35 лет был семь раз поражён молнией и остался в живых.

Молния и электрооборудование

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение, вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. В связи с этим аварии и пожары на сложном технологическом оборудовании могут возникать не мгновенно, а в период до восьми часов после попадания молнии.

Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования, такими как разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения, длинно искровые разрядники. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией, который может повреждать оборудование на расстоянии до нескольких километров от места удара молнии. Достаточно уязвимыми для электромагнитного импульса молнии являются локальные вычислительные сети.

Полярное сияние

Полярное сияние, северное сияние, южное сияние - свечение верхних слоев атмосферы планеты, обладающие магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.

физические явления 5

Полярное сияние

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах - поясах, окружающих магнитные полюса Земли - авроральных овалах. В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы - азота и кислорода; при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарной, так и молекулярном состоянии. Самые интенсивные излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

Спектр полярных сияний меняется с высотой. В зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа А с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа В  на относительно небольших высотах (80 - 90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие столкновительного гашения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых атомов кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.

Интересные факты о северном сиянии

  • У коренных эскимосов есть легенда, что полярное сияние — это свет, падающий из окон небесного дворца, в котором живут души умерших.
  • Возникнуть полярное сияние может только на планете, обладающей атмосферой и собственным магнитным полем.
  • Весной и осенью северное сияние можно наблюдать чаще, чем зимой и летом.
  • Из-за солнечных бурь северное сияние несколько раз наблюдалось очень далеко от полюсов, даже в субтропиках. Это явление фиксировалось даже в Техасе.
  • Викинги верили, что северное сияние — это мост между землёй и небесами, по которому боги спускаются вниз, к людям.

Солнечный ветер


Солнечный ветер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния. В отношении  других звёзд употребляется термин звёздный ветер, так что по отношению к солнечному ветру можно сказать «звёздный ветер Солнца».

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве. Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли (около 150 млн км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован и обычно делится на спокойный и возмущённый (спорадический и рекуррентный). Спокойные потоки, в зависимости от скорости, делятся на два класса: медленные (примерно 300—500 км/с около орбиты Земли) и быстрые (500—800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят область гелиосферного токового слоя, который разделяет области различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим свойствам близок к медленному ветру.

Благодаря высокой проводимости плазмы солнечного ветра магнитное поле Солнца оказывается вмороженным в истекающие потоки ветра и наблюдается в межпланетной среде в виде межпланетного магнитного поля.

Солнечный ветер образует границу гелиосферы, благодаря чему препятствует проникновению межзвёздного газа в Солнечную систему. Магнитное поле солнечного ветра значительно ослабляет приходящие извне галактические космические лучи. Местное повышение межпланетного магнитного поля приводит к краткосрочным понижениям космических лучей, Форбуш-понижениям, а крупномасштабные уменьшения поля приводят к их долгосрочным возрастаниям. Так в 2009 году, в период затянувшегося минимума солнечной активности, интенсивность излучения вблизи Земли выросла на 19 % относительно всех наблюдаемых ранее максимумов.

Солнечный ветер порождает на планетах Солнечной системы, обладающих магнитным полем, такие явления, как магнитосфера, полярные сияния и радиационные пояса планет.

Интересные факты о солнечном ветре

  • Магнитное поле нашей планеты хорошо защищает нас от этого излучения. Потоки солнечных ветров буквально обтекают земную атмосферу и проносятся дальше в окружающее пространство, постепенно снижая свою плотность.
  • Время от времени интенсивность проходящих потоков частиц плазмы настолько высокая, что атмосфере нашей планеты с трудом удается отражать их воздействие. Естественно, потоки солнечного ветра отступают, но только спустя какое-то время.
  • Когда мощные потоки солнечных ветров вступают в интенсивное взаимодействие с магнитным полем нашей планеты, мы можем наблюдать полярные сияния в областях полюсов, а также фиксировать образование магнитных бурь.
  • Недавно солнечный ветер стал причиной возникновения геомагнитного шторма на Земле. Интенсивные потоки вышли из коронарного отверстия в солнечной атмосфере. Подобные отверстия могут формироваться в светиле даже в тех случаях, когда наблюдается полное отсутствие активных зон. На сегодняшний день на Солнце образовалась коронарная дыра. Потоки частичек плазмы с высокой плотностью распределения достигли планеты, что стало причиной развития геомагнитных бурь.

Заключение

Итак, подведем итоги о собранной мной информации. Мне удалось выполнить цель работы и ответить на вопросы, изучив физические явления. Вернемся к актуальности моей темы.

Я смогла рассмотреть физические явления с точки зрения их влияния на жизнедеятельность человека, на процессы, происходящие на планете Земля. Но есть ли перспективы и возможности использования в ближайшем будущем их энергии? К сожалению, нет, т.к. даже наши технологии не способны преобразовать столь мощный удар энергии от молнии или собирать поток ионизированных частиц от солнечного ветра.

Но я надеюсь, что в будущем человек сможет собирать энергию полярного и других сияний, сможет контролировать и использовать молнии, преобразовывать их в чистую электроэнергию во благо человечеству. Уверены, что это будет огромный скачок в электромеханике и физике в целом.

В результате проделанной работы я выполнила все поставленные задачи:

  • Познакомилась с каждым из явлений
  • Изучила их природу и происхождение
  • Обобщила полученные результаты
  • Выбранные мною явления были и будут одними из самых загадочных, интересных и красивых физических явлений на Земле.

Список литературы

  • Википедия (Молния, Полярное сияние, Солнечный ветер)
  • Учебники по физике,  Г.С. Ландсберга, Москва 1961г
  • Учебник физики, Касьянов, Москва


Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Вставитьjs: 
нет