Исследовательская работа «Физика Крайнего Севера»

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №12» г. Воркуты







Исследовательская работа
«Физика Крайнего Севера»








Выполнил:
ученик 8а класса,
Ульянов Александр
Руководитель:
Балашова
Марина Сергеевна,
учитель физики

г.Воркута
2016г.
Оглавление

I. Введение.3
II. Основная часть.
1. Исследование проявления законов физики в животном и растительном
мирах тундры.
1.1. Растительный мир.5
1.2. Животный мир.7
1.3. Практическое применение физических знаний. .9
2.Исследование организации быта народов Севера в соответствии с физическими законами. .11
3. «Это интересно» .13

III. Заключение.14

IV. Используемая литература..15

V. Приложения.16

I.Введение
«Мыслящий ум не чувствует себя счастливым,
пока ему не удается связать воедино
разрозненные факты, им наблюдаемые»
Д. Хевеши

В новом учебном году я начал изучать физику. На уроках физики мы учимся замечать проявление физических законов в окружающем мире. Мне стало интересно, какие физические законы используют природа и человек для выживания в условиях Крайнего Севера. Я решил найти ответы на эти вопросы.

Цель работы:
-выявить закономерности физических явлений, присутствующих в мире живой природы Крайнего Севера и показать тесную связь физики и живой природы.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
-изучить теоретический материал по данной тематике;
-систематизировать полученную информацию;
-применить знания физических законов для объяснения приспособлений к условиям севера, используемых живой природой;
-проанализировать и обобщить полученную информацию, сделать выводы.

Гипотеза исследования:
Возможно, выжить в суровых условиях севера растениям, животным и коренным жителям помогают законы физики.

Актуальность темы я вижу в том, что, существуя неотрывно от природы, взаимодействуя с ней, человек должен знать её законы, понимать язык, чтобы беречь природу и мудро ею пользоваться.


Данная исследовательская работа ориентирована на изучение соответствующей литературы, сбора, сравнения, систематизации и анализа полученных результатов.
В работе представлены результаты исследования различных приспособлений растений и животных к выживанию в условиях севера и их описание с точки зрения физики; проведены расчеты давления оленей различных видов на грунт и доказано, что представители вида «северный олень» приспособлены к перемещению по снегам и болотам тундры лучше, чем представители оленей других видов.

Методы исследования:
Теоретический:
- теоретический анализ литературы по физике по заявленной теме;
- Интернет-поиск.
Эмпирический:
- наблюдение;
- сравнение.

II.Основная часть
1.Учет физических законов растениями и животными тундры.
Кра
·йний Се
·вер - часть территории России, расположенная главным образом к северу от Северного Полярного круга. Климат в некоторых районах чрезвычайно суровый. Территория Крайнего Севера это арктическая зона, тундра и лесотундра, а также тайга. [9]
Термин «тундра» произошел от финского слова, которое означает «бесплодная земля» или «враждебная территория». Он обычно используется в отношении безлесной зоны Арктики. Тундра, конечно, не слишком приятное место для жилья. Климат здесь суров и морозен. В суровую заполярную зиму комфортно могут чувствовать себя только приспособленные растения и животные.
В данной части работы я изучаю роль физических законов в приспособленности растений и животных к климатическим условиям Крайнего Севера. Основной метод, используемый на данном этапе - метод сравнения растительного и животного мира на севере с представителями данных видов в районах средней полосы России. Для решения поставленных задач используются также теоретические методы и метод наблюдения.
Растительный мир
Наблюдая за растениями тундры, нетрудно заметить, что они отличаются от своих ближайших родственников, прежде всего тем, что имеют мелкие листья. Оказали ли влияние на размеры листьев законы физики? Ознакомившись с дополнительной литературой [2], я узнал, что причина тому - явление испарения. Испарение-парообразование, происходящее с поверхности
жидкости. В летние дни поверхность почвы в тундре сильно нагревается, почву иссушают ветра, поэтому происходит очень сильное испарение. Растению необходимо экономить влагу, т.к. поступление воды в растение на севере бывает затруднено из-за низкой температуры почвы, понижающей общую жизнедеятельность корней.
Согласно законам физики, испарение происходит тем быстрее, чем больше площадь открытой поверхности. [3]
Для растений, обитателей тундры, характерны приспособления, направленные на уменьшение испарения:
1) Чтобы уменьшить процесс испарения, виды растений, живущие на крайнем севере, имеют листья намного мельче, чем их ближайшие родственники, населяющие более южные широты, а потому имеют небольшую испаряющую поверхность.
Например, обыкновенная клюква, растущая повсеместно в лесной полосе на торфяных болотах. Листья у этого растения кожистые и мелкие, однако у мелкоплодной клюквы, населяющей тундры крайнего севера, листья и ягоды еще мельче (рис. 7).
Рис. 6. Подушкообразное растение (альпийская крупка)


2) Но уменьшение размеров листа - не единственный способ уменьшения скорости процесса испарения. У северных растений есть еще один способ уменьшить площадь открытой поверхности. Наименьшую площадь поверхности имеет шар, поэтому в тундре можно встретить растения-подушки, которые имеют почти правильную полушаровидную форму. А чем меньше поверхность растения, тем меньше влаги будет оно испарять. (рис.6)
Продолжив работу с дополнительным источником информации [2], стало понятно, что законы физики используются растениями не только в летний, но и в зимний период. Защищаясь от холода, северные растения используют такие приспособления, как скученный, подушкообразный рост и волосяной покров (многие арктические растения имеют густое опушение). То и другое способствуют ослаблению вентиляции вокруг растения и к скоплению среди отдельных плотно прилегающих друг к другу частей растений значительного количества неподвижного воздуха. Чтобы понять, способствует ли воздух предохранению растений от вымерзания, была использована дополнительная литература [3], в которой объясняется, что воздух является плохим проводником тепла, т.е. играет роль «шубы». И здесь не подвела физика!
1.2. Животный мир
Тундра страна холода. Это страна долгого зимнего мрака и короткого полярного лета с незаходящим, мало греющим солнцем.
Какие же приспособления помогают животным, населяющим тундру, пережить у себя на родине долгую и суровую зиму? Проявляются ли при этом законы физики?
Полярная лиса
Первый обитатель тундры, на котором остановилось моё внимание, - песец.
Песец, полярная лисица,
Жить в Заполярье не боится.
Песцов от вечной мерзлоты
Спасают шубы и хвосты.
Песец типичный обитатель материковой тундры и островов Ледовитого океана и важнейший пушной вид Крайнего Севера. Внешне песец похож на лису, и именно поэтому второе название этого животного - полярная лисица.
Сравнив фотографии полярной лисицы и лисы, живущей в лесах средней полосы (Приложение 1), я задумался, почему у полярных лисиц уши значительно меньше, чем у лисиц, живущих в умеренном климате? Познакомившись с необходимой информацией, узнал, что уши у лисиц являются органами, отводящими тепло от тела животного. Так как на севере необходимо уменьшить теплоотдачу, то в процессе биологического отбора наиболее приспособились к жизни в условиях Крайнего Севера лисицы с меньшими ушами. На юге - наоборот, надо увеличить теплоотдачу.
Но не только размером ушей отличаются лисицы, но и окраской. (Приложение 1)
Полярная лиса, как и многие другие обитатели Крайнего Севера (куропатки, полярные совы, зайцы, белые медведи) имеют белую окраску.
Многие полярные животные меняют цвет меха зимой, чтобы стать незаметными на снегу. Но белый медведь и полярная сова не меняют окраску, оставаясь белыми даже летом. [4] Возможно, белая окраска меха необходима животным не только для маскировки? Ответ на этот вопрос был получен в процессе изучения дополнительной литературы. [3] Оказывается, животное белого цвета меньше излучает тепла в окружающее пространство (лучше сохраняет свое тепло), что особенно важно в условиях суровой зимы.
Король тундры - северный олень
Он в тундре живёт с незапамятных пор,
И север представить нельзя без оленя.
Олень – он тундры пятнистый ковёр
Её вдохновение, её откровение.
Северный олень - одно из самых красивых животных Севера. От других оленей отличается и внешностью, и образом жизни. Животное хорошо приспособлено к жизни в суровых арктических условиях. Думаю, что и в этих приспособлениях скрыты законы физики. Чтобы убедиться в этом, обратился за информацией к интернет - ресурсам. [6] Систематизировав информацию, полученную на сайте, обнаружил, что северные олени, приспосабливаясь к суровым условиям севера, «используют» не один закон физики, таких законов несколько.
1)Приспособлением к обитанию в суровом климате является характерное строение волоса и шерстного покрова северных оленей. Зимой мех образует густой и плотный волосяной покров, состоящий из покровного волоса - ости и подшерстка - пуха. Волосяной покров хорошо защищает оленя от стужи, особенно сильно он развит на шее. На зиму волосы на теле северного оленя к концам утолщаются, так что под ними образуется воздушный слой, препятствующий потере тепла. (Воздух обладает плохой теплопроводностью). Кроме того, в шерсти увеличивается количество белых волос (с воздухом в середине), отчего олень как бы седеет. (Приложение 2) Такая шерсть задерживает излучение тепла в окружающее пространство и согревает тело.
2) К зиме олени (как и многие другие северные животные) жиреют, подкожный слой жира достигает 3-5 см, что позволяет им переносить сильные морозы. Оказывается, обладая малой теплопроводностью, жир сохраняет тепло тела.
3) Еще одна особенность северного оленя – необычайно широкие копыта, причем пальцы, образующие их, подвижны. Это позволяет животному несколько «раздвигать» копыто, делать его еще шире, что значительно облегчает перемещение по болотистым или заснеженным местам. То, что его боковые пальцы тоже имеют копыта, касающиеся грунта при ходьбе, также способствует снижению давления на грунт. И растут еще между копытами волосы, создавая опорную жесткую щетку. Благодаря строению копыт ноги оленя получают широкую площадь опоры и поэтому не проваливаются в снег. На снегу олень себя чувствует примерно так же, как люди на лыжах. [1]

1.3. Расчет давления, которое оказывают на почву (снежный покров) олени различных видов
Владея информацией об особенностях строения копыт северного оленя, я предположил, что, возможно, этот вид оленей оказывает на поверхность давление меньшее, чем представители других видов. Для проверки предположения воспользовался знаниями, полученными на уроках физики при изучении темы «Давление твердых тел». Для вычисления давления на опору необходимо знать массу оленей и площадь опоры (размеры копыт). Необходимую информацию нашел, используя интернет. [7]
Для сравнения были выбраны пять видов оленей: северный олень, лось, изюбрь, марал и пятнистый олень. Среди выбранных оленей есть животные с массой, меньшей массы северного оленя, большей и примерно равной.
Расчеты осуществлялись согласно данным о наиболее крупных представителях каждого из представленных видов. Результаты я оформил в виде таблицы. (Приложение 3)
Результат, полученный в процессе вычисления общей площади копыт оленей каждого вида, представлен на диаграмме:
HYPER13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s HYPER14HYPER15
Как видно из диаграммы, наибольшую площадь копыт имеют представители вида - северный олень.
Зная площадь опоры и массу животных, по формуле, изученной на уроках, я рассчитал давление, которое оказывают на грунт олени различных видов. Результат вычислений можно увидеть на диаграмме:
HYPER13 EMBED MSGraph.Chart.8 \s HYPER14HYPER15

Из диаграммы видно, что наименьшее давление на грунт оказывают представители вида – северный олень, а значит им действительно легче, чем другим оленям, перемещаться по снегу и болотистым местностям.

Уменьшать давление на снежный покров приспособились не только олени. У куропаток и белой совы перья на пальцах отрастают настолько, что совершенно скрывают их когти. Длинные упругие перья на лапах, расширяя их поверхность, выполняют роль лыж, конечно, не скользящих лыж, а широких снегоступов.

2.Исследование организации быта народов Севера в соответствии с физическими законами.
Ненцы, ханты и другие народы Севера накапливали опыт ведения своего хозяйства, вырабатывали правила выживания в суровых северных условиях. Непременным условием жизни этих народов являлось сохранение тепла.
Чум - традиционное жилище северных народов, коническая переносная постройка диаметром от пяти до восьми метров.
Почему чум имеет коническую форму? Только ли для удобства его сооружения и перевозки? Возможно, при сооружении чума «работают» законы физики.
Изучив дополнительную литературу, я понял, что такая форма позволяет чуму удержаться под натиском порывистых ветров. Снег и дождь скатывается с крутых стенок чума. Кроме того, форма конуса способствует оптимальному распределению тепла: чум имеет форму конуса, поэтому в его нижней части больше пространства и места, чем в верхней части. Нагретый воздух легче холодного, поэтому он поднимается вверх, давление воздуха вверху возрастает. Этот теплый воздух под давлением вытесняет холодный воздух, находящийся в нижней части чума и температура воздуха становится приблизительно одинаковой.
А еще я узнал, что по закону физики, количество теплоты, отданной с поверхности тела, прямо пропорционально площади его поверхности.
Если взять три формы – куб, пирамиду и конус, то наименьшую площадь поверхности имеет конусообразное жилище, а значит, чум меньше всего отдает тепла в атмосферу! [5]

Народы Севера перемещаются по тундре, переезжая с места на место, вслед за стадами оленей, живя в гармонии с суровой северной природой, получая от нее все необходимое для жизни.
Трудно в тундре зимой. Чтобы перемещаться по снегу, не проваливаясь, жители тундры передвигаются по бесконечным заснеженным просторам на лыжах. Лыжи, которыми они пользуются, отличаются от тех, которые использует население средней полосы России. Сравнительный анализ лыж представлен в виде таблицы (Приложение 4)
Можно отметить, что лыжи жителей Крайнего Севера более приспособлены к перемещению по заснеженным просторам тундры, т.к. имеют большую площадь опоры и приспособление (подбиты мехом) для перемещения по снежным горкам, кроме того, эти лыжи имеют меньшую длину, чем обычные, что также делает их более удобными в обращении в условиях северной зимы.
«Это интересно»
В научной литературе мною было обнаружено описание факта создания первых солнцезащитных очков - одного из приспособлений человека к жестоким условиям Крайнего Севера. Истоки этого приспособления - интуитивный учет человеком физических законов.

1.Снег отражает в космос до 90% солнечного света. Больше ни одно естественное тело не обладает такой отражательной способностью. Суша, свободная от снега, отражает лишь 10-20 % света. [11]

2. Нации с темными глазами живут в непосредственной близости у экватора, голубоглазые народы расселены на значительном расстоянии от экватора, а обладатели карих глаз в районах с умеренным климатом. Объясняется такое распределение способностью темных глаз защищаться от слепящего солнечного света. Это утверждение совпадает с исключением – жители Крайнего Севера темноглазые: в данном случае глаз защищает себя от яркой белизны снега. [8]

3. Первые солнцезащитные очки, которые защищали от снежной слепоты, использовались жителями Крайнего Севера и представляли собой куски древесной коры и другие материалы (в том числе кости) с прорезанными в них узкими щелями для глаз. [10]


III. Заключение
Природа создала много удивительного, прекрасного, упорядоченного. Жизнь в природе – это жизнь в гармонии с ней, с её законами. Это актуально для людей, живущих в суровых климатических условиях. Для выживания и сосуществования человека в северной природе нужно чувствовать её гармоничные законы.
Новизна моей работы состоит в том, что не было подобного исследования в нашей школе.
Практическая значимость заключается в том, что данный материал можно использовать для расширения кругозора обучающихся при проведении недели физики в школе, а так же учителям физики при проведении уроков по темам «Давление», «Тепловые явления» и др.
Выполнение данной работы позволило мне развить навыки работы с дополнительной литературой, умение самостоятельно добывать необходимую информацию и анализировать её. Кроме того, я узнал много интересного:
- как физика «помогает» животным и растениям приспособиться к условиям вечной мерзлоты;
- копыта служат оленю лыжами: они могут широко раздвигаться, увеличивая тем самым площадь опоры;
- чум имеет форму конуса для уменьшения потери тепла;
-создавая свое жилище, одежду, предметы быта, жители севера интуитивно пользовались законами физики.
В работе была сделана попытка не только увидеть способы приспособления животного и растительного мира к условиям Крайнего Севера, но и объяснить их, используя законы физики.
Выполняя данную работу, я убедился в том, что одним из условий существования жизни в условиях вечной мерзлоты является её организация по физическим законам.
Но, наверное, самое главное - теперь я знаю точно, что физика - не только интересная, но и полезная наука.

Радость видеть и понимать есть самый прекрасный дар природы.
А. Эйнштейн
IV. Используемая литература

«Кормилец Севера», рубрика «Окно в природу» газеты «Комсомольская правда» - 15.01.99
Кожевников А.В. По тундрам, лесам, степям и пустыням, М.: Географгиз, 1955.-35-39с.
Перышкин А.В., Физика-8, М., «Дрофа», 2007.- 39, 12, 17с.
Школьник. Ю., Золотарева.Ю, Атлас животных, М.: «Эксмо», 2007.-13с.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
http://stavapteka.ru/dlya_luboznatelnih
Приложение 1
Фотографии полярной лисицы и лисы, живущей в лесах средней полосы России.
([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])




















Приложение 2
Фотографии северного оленя летом и зимой.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]























Приложение 3
Виды оленей
Отпечатки следов
Исходные
данные
Формулы
Общая площадь
опоры, см2
Давление на грунт,
к Па

Северный олень

m = 200 кг
g = 9,8 Н/кг
a = 15см
b= 14,5см


p=F/S
F=mg
S= 4ab



870



22,53

Лось






m = 500 кг
g = 9,8 Н/кг
a = 15,5см
b= 12см

p=F/S
F=mg
S= 4ab


744


65,86

Изюбрь

m = 250 кг
g = 9,8 Н/кг
a = 11см
b= 9см

p=F/S
F=mg
S= 4ab

396


61,87

Марал


m = 350 кг
g = 9,8 Н/кг
a = 13см
b= 10см

p=F/S
F=mg
S= 4ab


520


65,96

Пятнистый олень

m = 131 кг
g = 9,8 Н/кг
a = 7см
b= 5,2см

p=F/S
F=mg
S= 4ab


146


87,93

Сравнительная таблица «Давление оленей разных видов»
Приложение 4
Сравнительный анализ
Элемент сравнения
Лыжи жителей Средней полосы
Лыжи жителей Крайнего Севера

Внешний вид

http://www.google.ru/search?client
http://images.yandex.ru

Назначение
Занятия спортом, туризм, прогулки, охота
Перемещение по глубокому снегу, охота


Размеры
Длинные (150-220 см) планки с заострёнными и загнутыми носками, 5-8 см шириной.
Размеры охотничьих лыж следующие: длина - от 153 до 213 см, ширина - от 12 до 16 см,
толщина - 1-2-3 см.
Более короткие и широкие, т.к. на Севере людям приходится ходить на лыжах не по проложенной лыжне, а по нетронутому, глубокому снегу.

Материал
Дерево, пластик
Дерево

Обработка поверхностей
Смазка
Лыжи у жителей Крайнего Севера снизу подбиты оленьим мехом. У меха есть интересное свойство: если гладить его в одну сторону, то мех ложится гладко и рука по нему идет свободно. Если провести по меху рукой в другую сторону, то он "встает дыбом", гладить его в эту сторону сложно. Поэтому мех на лыжах расположен так, что ехать по ровному месту на них легко, а если попадается горка, то забираться на нее помогает "вставший дыбом" мех.










HYPER13 PAGE \* MERGEFORMAT HYPER149HYPER15



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc file2
    "Физика Крайнего Севера"
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 7