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1、“大学物理”论文关于雪花成因的探究 XX班 XXX（20xxxxxxxx）大学物理论文关于雪花成因的探究院系：XX系班级：XX班姓名：XXX学号：XXXXXXXX任课老师：XXX 【摘要】雪，冬季大自然的风景。伴随雪带来的各种乐趣而来的还有人们千百年来的迷惑和不解。为什么它有那么精密而奇特的形状？为什么它有高度的对称美？为什么没有两瓣相同的雪花？本文就人类研究雪花的历史和现在有关结构的成果方面，分析雪花在结构上的成因，以及雪花会是什么的形状。最后，拓展到有关水在声波下结晶的结果的方面。【关键词】 雪花成因 雪花形状 声波对水结晶的影响 雪，从天而来，纷纷扬扬，飘飘洒洒，似鹅毛，如柳絮，像芦花
2、雪，激发诗人的想象，古往今来，吟雪咏雪多少佳句。唐岑参的绝唱“忽如一夜春风来，千树万树梨花开。”宋张元干的雪：“战死玉龙三十万，败鳞风卷满天飞。”笔墨神趣，令人拍案惊奇。毛泽东的沁园春雪：“北国风光，千里冰封，万里雪飘。山舞银蛇，原驰蜡象，欲与天公试比高。”巨笔华章，叹为观止。 但是伴随雪到来的，是人们千百年来的迷惑和不解。为什么它有那么精密而奇特的形状？为什么它有高度的对称美？为什么没有两瓣相同的雪花？回顾历史，中国在宋代的名儒朱熹就做过有关雪花晶体形状的独创性猜测，但是他只满足于作为自然现象的一个事实接受，满足于辞藻把玩，囿于象数理论解释，而没有从科学上进一步揭示其中大自然的美妙和奇特。欧
3、洲文艺复兴之后，科学知识迅速增长。年，罗伯特胡克利用显微镜对雪花形状进行观察，一下超乎中国人用肉眼作的观察之上。显微镜下，雪花的六角显见，每一角生出的小尖也清晰可辨。年，威廉斯科斯比又对雪花形状作系统分类，成为世界上描述雪花复杂形态的第一人。虽然他们做出了超出了前人的成就，但是谈们并没有解决雪花的成因，只是比别人观察的更仔细而已。科学探索的语句时态是进行时。世纪年代，科学发展到用混沌理论对雪花成因解释。科学家发现，表面张力对正在固化的物质的分子结构无限敏感。在冰晶情形中，自然的分子对称导致个生长方向的内在优先。而稳定性和不稳定性的混合可以放大这种微观优先，导致形成雪花的几乎分形的花边结构。 用
4、科学语言说，雪花是非平衡现象。它们是能量从自然界中一部分流向另一部分时的不均衡的产物。这种流使边界变成小尖，使小尖变成一排分支，而这一排分支又变成复杂的结构。 雪花美丽。千百年来，雪花不因时间改变六角对称的形式，而智慧的人类却不断增加了对雪花的认识。 现在，科学家们为解决雪花成因曾提出的各种假设，目前最为广为接受的是从雪花的六方晶系特性出发而提出晶体形成理论。水汽凝华结晶成的雪花和天然水冻结的冰都属于六方晶系。我们在博物馆里很容易被那纯洁透明的水晶所吸引。水晶和冰晶一样，都是六方晶系，不过水晶是二氧化硅（SiO2）的结晶，冰晶是水（H2O）的结晶罢了。 六方晶系具有四个结晶轴，其中三个辅轴在一
5、个基面上，互相以60的角度相交，第四轴(主晶轴)与三个辅轴所形成的基面垂直。六方晶系最典型的代表就象是几何学上的一一个正六面柱体。当水汽凝华结晶的时候，如果主晶轴比其它三个辅轴发育得慢，并且很短，那么晶体就形成片状；倘若主晶轴发育很快，延伸很长，那么晶体就形成柱状。雪花之所以一般是六角形的，是因为沿主晶轴方向晶体生长的速度要比沿三个辅轴方向慢得多的缘故。几种主要雪花晶体的构造示意图对于一片六角形雪片来说，由于它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面)，各面上的饱和水汽压力也不同，因此产生了相互间的水汽密度梯度，使水汽发生定向转移。水汽转移的方向是凸面平面凹面，也就是从曲率大的表面，移向曲率小的表面。
6、六角形雪片六个棱角上的曲率最大，边棱部分的平面次之，中央部分曲率最小。这样，就使六角形雪片一直处在定向的水汽迁移过程中。由于棱角上水汽向边棱及中央输送，棱角附近的水汽饱和程度下降，因而产生升华现象。中央部分由于获得源源不断的水汽而达到冰面饱和，产生凝华作用。这种凝华结晶的过程不断进行，六角形雪片逐渐演变成为六棱柱状雪晶 这是假定外部不输送水汽的理想状况。事实上，事物与周围环境保持着密切的联系，空气里总是或多或少存在着水汽的。如果周围空气输人水汽较少，少到不够雪片的棱角向中央输送水汽的数量，那么雪片向柱状雪晶的发展过程继续进行。在温度很低水汽很少的高纬和极地地区，便因为这个原因经常降落柱状雪晶。
7、 空气里水汽饱和程度较高的时候，出现另外一种情况。这时周围空气不断地向雪片输送水汽，使雪片快速地发生凝华作用。凝华降低了雪片周围空气层中的水汽密度，反过来又促进外层水汽向内部输送。这样，雪片便很快地生长起来。当水汽快速向雪片输送的时候，六个顶角首当其冲，水汽密度梯度最大。来不及向雪片内部输送的水汽，便在顶角上凝华结晶；这时，顶角上会出现一些突出物和枝杈。这些枝叉增长到一定程度，又会分叉。次级分叉与母枝均保持60的角度，这样，就形成了一朵六角星形的雪花。 在高山或极地的晴朗天气里，还可见到一种冰针，象宝石一样闪烁着瑰丽的光彩，人们把它叫做钻石尘。冰针的生长有二种情况：一种是在严寒下(-30以下)
8、湿度很小时水汽自发结晶的结果，另一种是在温度较高(-5左右)湿度较大时沿着雪片某一条辅轴所在的顶角特别迅速生长的产物，是雪花的畸形发展。 形形色色的雪花晶体在天空生成后，当它们的直径达到50微米时，便能克服空气的浮力而开始作明显的下降运动，一边飘逸下降一边继续生长变化。这样一来，便产生了形式纷纭繁多的雪花。我们只要把它们接纳在黑呢子或黑天鹅绒上，就能用肉眼初步辨别出它们的形态来。大气层里的温度对雪花的形状也起着很大的作用。温度高时，容易产生六角形雪片，温度低时，则往往容易产生柱状雪晶。根据许多科学家的观测研究，大气层温度在-25以下时，雪的形状多数是主晶轴发育的六棱柱状；温度在-25-15时，
9、雪的晶体大多是六角形雪片；温度在-150时，天空里降落的则多数是美丽的六角星形的雪花.由于本学期学习的是波和声光的知识，我在探索有关声波对雪花结晶的影响的时候，发现没有这方面的资料。经过仔细的寻找和对比，我发现了日本作家江本胜所著的水知道答案，这本书中着重描述了水在各种音乐或者杂音下的结晶效果，很是引人入胜。例如，书中给出了水在贝多芬和莫扎特的音乐下的结晶效果，给我们完全展示了一个新的世界。听了贝多芬田园交响曲的水所呈现的结晶，像这首明快、清爽的曲子一样美丽而工整（左图）；而听到对美充满深深祈望的莫扎特的第号交响曲的水，其结晶也竭尽全力展现出一种华丽的美（右图）。水结晶的过程和雪花形成的过程具
10、有一定的可比性，所以，我认为声波也会对雪花形成时候的大小和形状有一定的影响，但是，由于缺少这方面的研究，还不能说明具体会有何种程度的影响。人们可以从雪花结晶中作为一个突破点，系统的研究声波在各种晶体结晶的过程中的影响，一定会有很多收获。这不仅仅会有很多的美感，还会有很多实际的用途。大胆的预测一下，在声波或者其他的有规律电磁波对结晶的影响及其应用会是一个很有潜力的领域。【完成感言】在这次的读书报告的写作中，我在选题时选择了一个比较陌生但是早已经感兴趣的题目。我觉得这才是理想中的大学的学习方法。不必像初、高中那样强迫学习只有考试时才会用到的东西，充其量就是考察个人的记忆能力，而不会在个人都饿创造性
11、上提高多少。虽然现在我不能保证我在创造性上有多大的进步，但是我学习的感觉非常好。对于本次题目的认识，我在很多方面还没有完全弄清，所以写出来的东西有些混乱。这次我不仅仅收获了知识，而且我还收获了一段宝贵的经历。刚开始时很多东西看不懂，但是自己选择的题目就必须做下去，就坚持反复研读一些书籍，即使不能完全弄懂，也把书中讲的东西记了大概。我想这是一次对自我学习能力的锻炼吧。也让我感受到课堂以外的世界很精彩！最后，很感谢老师给予我们自由学习的空间，也向我们指出了大学学习的方法。以后我会继续这种读书学习的方法，多涉猎课堂以外的有益知识，充实自己，提高自己。另外，我自己想补充说明的是，在江本胜先生的书中有很多精美的插图，我个人直观的感觉这些图形是经过了人工着色等处理的，不能完整的反映结晶的真实状态。还有就是我对江本胜先生的实验结果持有一定的怀疑，除非我自己看到或者操作成功了这个实验，会对这个结果心服口服吧。但是江本胜先生的水知道答案作为一本人生哲学的书来读还是很有收获的。1 科学与艺术的交融，吴全德，北京大学出版社，2001。2 吴全德文集，吴全德，北京大学出版社，1999。3 水知道答案，日 江本胜，猿渡静子译，南海出版公司，2004。4 结构与物性第二版，周公度，髙等教育出版社，2002。（科学中国人）参考资料：http:/
