Исследовательская работа по физике "О красоте снежинок и узоров на окне"

Введение

Всем нам приходилось разглядывать снежинки и ледяные узоры на окне. Некоторые изображения очень красивы, похожие на очень сложные рисунки на деревьях и листьях. Рассматривая снежинки можно заметить, что ни одна из них не повторяет другую. Над тайной их красоты и бесконечного многообразия не одно столетие бились ученые. Так как мы проживаем в холодных краях и знаем о зиме не понаслышке, то возникает вопрос: « Как образуются снежинки и ледяные узоры на окне?»

Цель работы: рассмотреть процесс образования снежинок и ледяного узора на стекле.

Исходя, из цели возникают следующие задачи:

Ознакомиться с историей исследования снежинок;

Изучить процесс образования снежинок;

Рассмотреть классификацию снежинок;

Изучить процесс образования ледяных узоров на стекле

Глава 1. История исследования снежинок

Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жёсткой геометрии. Миниатюра «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение историка кристаллографии И. И. Шафрановского.

В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».

Он писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Декарт был одним из первых, кто детально описал некоторые формы снежных кристаллов, следует заметить, что все наблюдения Декарта были сделаны невооруженным глазом. Декартом описаны некоторые редко встречающиеся формы кристаллов, например 12 - лучевые снежинки.

Особенно математика поразила найденная им в середине снежинки «крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность».

В 1885 году, после множества проб и ошибок, американский фермер Уилсон Бентли по прозвищу «Снежинка» получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует ни одной пары абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).

 Систематическим изучением кристаллов занялся в 1932 году физик - ядерщик Укихиро Накайя. Профессор Университета в Хоккайдо много лет наблюдал снежинки в природных условиях, классифицировал, фотографировал, составлял каталоги, а потом стал всемирно известен тем, что стал выращивать кристаллы в лабораторных условиях. Он первый выявил зависимость их формы от температуры и влажности окружающей среды.

В Японии существует Музей снега и льда имени Укихиро Накайя, в котором хранятся первые снимки и машина для получения снежинок.

В 1951 году Международная комиссия по снегу и льду приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию твёрдых осадков. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились ещё три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

 В 2001 году свои исследования в области снега начал профессор физики, астроном Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно.

Для изучения характеристик снежинок профессор Либбрехт с 2001 года начал делать фотографии образовавшихся естественным образом снежинок и проводить их сравнительную классификацию (приложение 1). Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят от того, где именно их наблюдали. По мнению Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее — к примеру, на Аляске, а вот в Нью - Йорке, где климат мягче, структуры снежных кристалликов гораздо проще.

Для того чтобы структура снежинки была хорошо видна на фотографии (а это очень важно для изучения ее кристаллического строения), образец подсвечивают специальным образом, и сама снежинка работает как сложная линза. Либбрехт разработал специальную камеру с встроенным микроскопом для «полевых» исследований. Фотографировать снежинки надо очень быстро — когда снежинка спустилась с неба, ее кристаллики перестают расти и почти сразу же начинают терять четкость граней.

Фотографии позволили ученому выявить нестабильности роста кристаллов у снежинок, что раньше еще никому не удавалось.

Весь материал - смотрите документ.