同學們都知道，水是生命之源，是我們?nèi)祟惡推渌镔囈陨娴闹匾镔|(zhì)。我們居住的地球表面70%的是水，是一個名副其實的水球。那么地球表面的水各是以什么形式存在的呢？它們在自然界中是如何循環(huán)的呢？利用我們在物理學中學習的物態(tài)變化的知識如何解釋水的三態(tài)變化呢？
在我們生存的地球上，絕大多數(shù)的水以液態(tài)形式匯集于江、河、湖、海中，還有一部分以固態(tài)的形式貯存在南極和北極的冰層和高山上的雪峰里，另外還有一部分以水蒸氣的形式在大氣層中飄忽不定。
空氣中總是有水蒸氣的，它們主要來源于地表水的蒸發(fā)，而且水蒸氣是無色透明的氣體，是看不見的。日常所見到的“白汽”不是水蒸氣，而是水蒸氣遇冷液化成的小水珠。自然界中的云、雨、霧、露、雪、霜、冰雹、凍雨、霧凇的形成就與水蒸氣有很密切的關系。
1．云的形成
當含有很多水蒸氣的空氣升入高空時，水蒸氣溫度降低液化成小水滴或凝華成小冰晶，這些很小的微粒，能被空氣上升氣流頂起，形成浮云，所以云是由大量的水蒸氣和小冰晶組合而成的。
云的形成要有兩個最基本的條件：一是有充分的水汽，二是有使水汽凝結的空氣冷卻，兩個條件缺一不可。
2．雨的形成
在一定條件下，云中的小水滴和小冰晶越來越大，達到一定程度時，上升氣流無法支持，就會下落，在下落過程中，小冰晶熔化成水滴，與原來的小水滴一起落到地面上，形成了雨。
3．霧的形成
霧一般在清晨出現(xiàn)。當空氣中的水蒸氣遇到冷的空氣或地面溫度突然下降時會液化成小水滴而飄浮在空氣中和塵埃上，就形成了霧。
霧和云都是由浮游在空中的小水滴或冰晶組成的水汽凝結物，只是霧生成在大氣的近地面層中，而云生成在大氣的較高層而已。霧既然是水汽凝結物，因此應從造成水汽凝結的條件中尋找它的成因。大氣中水汽達到飽和的原因不外兩個：一是由于蒸發(fā)，增加了大氣中的水汽；另一是由于空氣自身的冷卻。對于霧來說冷卻更重要。當空氣中有凝結核時，飽和空氣中如繼續(xù)有水汽增加或繼續(xù)冷卻，便會發(fā)生凝結。凝結的水滴如果水平能見度降低到1千米以內(nèi)時，霧就形成了。另外，過大的風速和強烈的擾動不利于霧的生成。
4．露的形成
當?shù)孛鏈囟认陆岛�，空氣中的水蒸氣遇冷會液化成小水滴面附在地面上或花草上，形成露水。露是水蒸氣液化形成的小水珠。在地面上的草、木、石塊等固體由于向外界輻射熱量，它們的溫度下降速度快于空氣溫度的下降。當草、木、石塊等物體降到某一溫度而使附近的空氣達到露點（露點是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點）時，則有水珠凝結（液化）在這些物體上形成露。
5．雪的形成
如果露點低于O℃，在高空中的水蒸氣便直接凝成小冰晶，這就是美麗的雪花了。
在冬季，有時上升氣流較弱，云中的水蒸氣受冷直接在小冰晶上凝華形成雪花，飄落到地面面形成了雪。
6．霜的形成
由于空氣中的水蒸氣受冷直接凝華而成的。冬天的夜晚，地面的溫度迅速降低到0℃以下，空氣中的水蒸氣就會在地面上迅速凝華而形成固態(tài)的小晶體，即霜。
霜是水蒸氣凝華形成的小冰晶，出現(xiàn)在地面上。當露點低于O℃時，則水蒸氣直接凝華在地面物體上形成霜。人們有這樣的經(jīng)驗：有風或有云的夜間不會有霜有露，這是由于有風時地面的空氣不易達到飽和；有云時也有熱量輻射到地面，地面溫度不易達到露點的緣故。
7．冰雹的形成
如果雨在落下時驟然遇到0℃以下的冷空氣，雨便凝固成冰塊，冰塊若遇地面向上的風暴把冰塊向上吹入熱空氣層中，這層空氣中的水蒸氣便凝結在冰塊四周，下落時又遇有0℃以下的冷空氣上升時，冰塊外面又結一層冰，如此反復上下，到冰塊很大時，形成雹落下，這就是可怕的冰雹。
在夏季，上升氣流很強，也很不穩(wěn)定，小水滴在空氣對流中受冷凝固成小冰雹塊。小冰雹塊在流動過程中又與小冰晶、小水滴合并，形成大冰塊，當這樣的冰塊增大到一定程度時，氣流無法支持，就降落到地面形成洋冰雹。
8．凍雨的形成
凍雨是怎樣形成的呢？這是由于近地面層的空氣稍低于零度，它的上面有溫度高于零度的氣層或云層，再往上又是處于零度以下的云層。從攝氏零下十多度云中降落的雪，穿過暖氣層融化后，以雨的狀態(tài)繼續(xù)往下落，進入近地面低于攝氏零度的冷氣層中，雨滴又迅速地冷卻，與地面冷氣層溫度取得一致，直徑較大的雨滴發(fā)生冰結，降落下來是“冰�！�，直徑較小的雨滴，由于凝固點低，還來不及凍結，降落下來的就是“凍雨。
9．霧凇的形成
霧凇俗稱樹掛，在北方很常見，是北方冬季可以見到的一種類似霜降的自然現(xiàn)象，是一種冰雪美景。是由于霧中無數(shù)零攝氏度以下而尚未結冰的霧滴隨風在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結果，表現(xiàn)為白色不透明的粒狀結構沉積物。因此霧凇現(xiàn)象在我國北方是很普遍的，在南方高山地區(qū)也很常見，只要霧中有過冷卻水滴就可形成。
從上面的講述中，大家可以知道自然界中的水、氣、冰的循環(huán)了。簡單的說：
云：水蒸氣液化成的小水滴或凝華成的小冰晶漂浮在空中。
雨：水蒸氣液化成小水滴或冰晶熔化成的小水滴落到地面成為雨。
霧：水蒸汽在地面液化成小水滴漂浮在地面附近。
露：水蒸氣在地面的植物上液化成的小水滴。
雪：水蒸氣凝華成的冰晶落到地面上。
霜：水蒸氣凝華成的小冰晶附著在地面或植物上。
雹：隨著云中的水氣的聚集，就會能夠形成降雨，如果降雨過程中遇到冷空氣的話就會形成冰雹。
凍雨和霧凇的形成要求的氣象條件比較特殊。凍雨和冰雹類似；霧凇實質(zhì)上是過冷水滴的凝固現(xiàn)象。
由于水在自然界中的循環(huán)與物態(tài)變化的知識密切相關，在各地的物理中考試題中屢見不鮮。下面列舉幾個例子加以說明。
例1（宜昌市2004年課改實驗區(qū)物理試題）地球上的水在不停地循環(huán)著，在循環(huán)過程中水的狀態(tài)不斷地發(fā)生變化。
（1）請根據(jù)如圖1所示水循環(huán)的示意圖，簡單描述水的循環(huán)過程。（2）我國是嚴重缺水國家，合理利用和保護水資源是每個公民的責任。請你結合生活和生產(chǎn)實際，提出合理利用和保護水資源的具體措施（要求寫出兩條）。
答案：(1)太陽照射使地面的水蒸發(fā)成水蒸氣上升，水蒸氣在空中遇冷液化成小水滴或凝華成小冰晶下落。
(2)合理利用水資源的措施有：采用滴灌或噴灌、節(jié)約用水、減小輸水過程中的蒸發(fā)。保護水資源的措施有：防止水污染、防止水土流失等。
例2（宜昌市2008年物理中考試題）在2008年初的南方雪災中，連續(xù)的寒冷天氣使氣溫長期在0℃以下，我們在電視中看到這樣一個現(xiàn)象：當路面結冰汽車無法行駛時，護路工人在路面上撒大量的鹽，路面上的冰會在0℃以下熔化，從而使交通暢通。
(1)請你就這個現(xiàn)象提出一個物理問題。并針對你提出的問題做出合理的猜想。
(2)要使汽車能在雨雪路面上行駛，還可采用其它什么方法？并說明理由。（說出一條即可）
答案：（1）提出問題：加入鹽后，為什么冰在0℃以下就可以熔化呢？
猜想：加入鹽后，冰的熔點降低了。
（2）可在汽車輪上加防滑鏈。這樣可以加大汽車輪與路面的摩擦力，從而使汽車能安全行駛。（宜昌市2008年物理中考試題）
例3（江西省2008年物理中考試題）2008年1月，我國南方出現(xiàn)了罕見的凍雨、雪災，造成了巨大損失。凍雨是一種過冷卻水滴（溫度低于0℃），它落到溫度更低的物體上時，就可能立刻凍結成外表光滑而透明的冰層。這里所說的凍結是一種_______現(xiàn)象（填物態(tài)變化名稱），凍結過程中要______熱量。
答案：凝固、放出
例4（武漢市2009年四月調(diào)考物理試題）下列自然現(xiàn)象中，由液化形成的是（）
A．屋檐上掛著的冰凌 B．草梗上裹著的白霜
C．荷葉上滾動著的露珠D．大樹上覆蓋著的積雪
答案：C
例5（宜昌城區(qū)2008年秋季調(diào)研考試物理試題）根據(jù)我國氣候，每年9月7日左右有一個節(jié)氣叫“白露”，10月23日左右有一個節(jié)氣叫“霜降”。意思是我國黃河一帶從當天開始空氣中水蒸氣會分別形成露和霜。（1）請指出形成露、霜的物態(tài)變化名稱。（2）水蒸氣在什么條件下變成露，在什么條件下又會變成霜呢？請你做出猜想并說明理由。
答案：（1）液化；凝華。
（2）猜想：氣溫下降，但在0℃以上時，形成露；氣溫直接下降至0℃以下，形成霜。理由：溫度降低，氣體液化；溫度降至低于凝固點，氣體凝華。
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