Курс по выбору: «Физика. Человек. Окружающая среда»
элективный курс по физике (9 класс) по теме

Пояснительная записка

В современном обществе большое значение приобрела проблема влияния антропогенного фактора на некоторые тепловые, световые, электромагнитные явления в природной и искусственной среде. Это связанно с тем, что причиной изменения многих природных явлений оказывается человеческая деятельность.

Введение курса по выбору «Физика. Человек. Окружающая среда» обусловлено тем, что необходимо формировать экологическую культуру обучающихся, разъяснять, что вмешательство человека в природные процессы становятся причиной изменений в цепи взаимосвязанных явлений и может привести к катастрофическим последствиям.

В программе курса рассматривается проявление антропогенного фактора в тепловых, электрических, магнитных и световых явлениях, обсуждается роль физики в анализе явлений антропогенного происхождения и их прогнозировании; в совершенстве существующих технологий и создании новых, основанных на рациональном использовании природных ресурсов.

Использованы материалы А.П.Рыженкова, в которых приведены исторические факты и статистические данные по теме курса.

Данный курс по выбору является межпредметным, так как он тесно связан с такими дисциплинами, как физика, биология, география, экология, математика, химия.

Программа адресована обучающимся 9-х классов.

Происхождение программного материала позволит обучающемуся иметь представление:

1. о взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы;
2. причинах возникновения изменений в неживой природе;
3. влиянии антропогенного фактора на некоторые явления в природной и искусственной среде;
4. о рациональном использовании природных ресурсов;
5. физических методах моделирования и прогнозирования результатов воздействий;
6. физических методах защиты окружающей среды от загрязнений выбросами техносферы и быта.

В результате изучения курса он должен знать следующие понятия: антропогенный фактор, биоэнергия, климат, парниковый эффект, тепловое загрязнение, электрическое поле, биосистемы, искусственные токи, энергия электрического тока, радиационный пояс, антропогенные магнитные явления, мутация, магнитные бури, фотосинтез, лазеры, свет, источники света.

Уметь:

- проводить наблюдения за явлениями, оценивать влияние на них антропогенного фактора;

- измерять параметры состояния среды;

- устанавливать качественные причинно-следственные связи;

- прогнозировать тепловые процессы;

- рассчитывать тепловые потери энергии, потребляемой электрической лампой, распределение энергии топлива при движении автомобиля в процентах;

- проводить домашний эксперимент, представлять и анализировать полученные результаты;

- проводить исследования по темам: « Тепловые явления», « Электричество, магнетизм и жизнь», « Световые явления»;

- решать задачи экологического воспитания;

- проводить анализ явлений антропогенного происхождения.

Цель данного курса по выбору – формирование экологической грамотности обучающихся.

В ходе её достижения решаются следующие задачи:

1. Определить причины и последствия влияния антропогенного фактора на некоторые явления природы.
2. Проанализировать явления антропогенного происхождения.
3. Углубить понимание значения физики в изучении и прогнозировании этих процессов.
4. Развивать творческий подход обучающихся к рациональному использованию природных ресурсов.

Программа включает в себя следующие разделы:

1. Введение
2. Тепловые явления
3. Электрические явления
4. Магнетизм в природе
5. Световые явления

Курс по выбору предусматривает проведение лекционных занятий, практических работ, семинаров, обобщающего занятия, диспута, игры, лабораторные работы, уроков решения задач по темам №2,3 и др. Особое место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе обучающихся.

Все темы курса содержат творческие задания: провести домашний эксперимент, исследовательскую работу, подготовить реферат, доклад, сообщение, решить экологические, качественные, экспериментальные, вычислительные задачи. В программе также представлена тематика исследовательских работ, которая может варьироваться в зависимости от условий реализации программы.

Все формы организации учебной деятельности обучающихся формируют интерес к естественно – научному циклу, развивают творческие способности участников.

Курс завершается итоговым занятием, на котором обучающиеся защищают рефераты.

Данный курс рассчитан на 34 часа (в 9 классах).

Учебно-тематический план

Содержание программы

1. Введение

Основные вопросы, связанные с антропогенными факторами. Экологические проблемы человечества.

2. Тепловые явления

Теплота и её источники. Температура.  Термометры. Биоэнергия. Влияние человека на тепловые явления. Использование тепловых явлений в быту, технике. Климат. Конвекционные потоки. Парниковый эффект. Ветер. Образование ветров. Влияние устойчивости потоков тепла и тепловых процессов в природе на существование жизни на Земле. Тепловое загрязнение. Тепловое загрязнение рек. Прогнозирование тепловых процессов, тепловое загрязнение атмосферы. Газ, жидкость, твёрдое тело. Превращение воды в природе. Использование агрегатных превращений. Тепловые двигатели и окружающая среда. Охрана окружающей среды. Энергетика и теплоснабжение.

3. Электрические явления

Электрические заряды и живые организмы. Электрическое поле. Биосистемы. Электрический ток. Электрическое поле и живые организмы. Природные электрические токи. Искусственные токи. Энергия электрического тока и её использование.

4. Магнетизм в природе

Магнитное поле Земли. Радиационные пояса. Влияние магнетизма на живые организмы и человека. Антропогенные магнитные явления. Мутация. Применение магнитных явлений в энергетике, транспорте, быту. Магнитные бури.

5. Световые явления

Свет в окружающем мире. Фотосинтез. Источники света. Лазеры. Солнечный свет в явлениях природы. Свет и охрана окружающей среды.

Итоговое занятие по теме «Физика. Человек. Окружающая среда» (1 час).

Контрольные вопросы

1. Сколько кислорода расходуется при 8-часовой работе двигателя автомобиля, если для сжигания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода? Расход бензина – 19 кг/ч.
2. Почему тепловое загрязнение водоёмов (сброс подогретой на ТЭЦ воды) приводит к гибели рыбы?
3. Почему накопление в атмосфере углекислого газа приводит к парниковому эффекту?
4. Почему переход автомобилей на газовое топливо приводит к уменьшению загрязнения воздуха?
5. Почему в жаркий день температура воздуха в городских парках на 70С ниже, чем на улицах?
6. Почему водным обитателям не нужно приспосабливаться к резким перепадам температур?
7. Какова масса 400 л пресной воды, расходуемой в среднем одним жителем России в сутки?
8. Человек выпивает за свою жизнь 50 кубических метров воды. Какова её масса?
9. Почему эффективность задержания загрязняющих веществ деревьями с шероховатыми листьями выше, чем с гладкими?

Темы рефератов

(примерные)

Мировые энергоресурсы.

Превращение энергии в окружающем мире.

Физические процессы фотосинтеза растений.

Факторы, влияющие на качество воды.

Влияние магнитных бурь на здоровье человека.

Влияние света на фотосинтез растений.

Изменение физических параметров окружающей среды вследствие вырубки леса ( или мелиорации почвы).

Экология жилого помещения.

Влияние на окружающую среду выбросов автотранспортом загрязняющих веществ.

Перечень ключевых слов

абиотический фактор                                  парниковый эффект

альбедо                                                         поглощение света

антропогенный фактор                               потери тепла

биогаз                                                           прогноз    

            биосфера                                                      радиационный пояс

            биотический фактор                                   рассеяние света    

            биоэнергия                                                   солнечная постоянная

            геотермальнаяэнергия                                тепловое загрязнение

             криофилы                                                      теплопродукция

             круговорот                                                    теплоснабжение дома

             люминесцентные источники                       термофилы

             магнитная буря                                             фотосинтез

             мутации                                                         экологическая экспертиза

            озоновые дыры                                              электрический диполь

                                                                                     эффект магнитной ловушки                      

Литература для учителя

1. Богданов К.Ю. Физика в гостях у биолога / К.Ю. Богданов. – М.: Наука, 1986.
2. Горнов А.М. Реализация госстандарта по физике в основной школе: Методическое пособие / А.М. Горнов, А.Г. Логвиненко, С.А. Тимошенко. – Кемерово: Изд-во ОблИУУ, 1995.
3. Демидова М.Ю. Методический справочник учителя физики / М.Ю. Демидова, В.А. Коровин. – М.: Мнемозина, 2003. – 231 с.
4. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики / Ц.Б. Кац. – М.: Просвещение, 1988.
5. Ковалёва П.С. Экологическое образование и школьный курс физики / П.С.Ковалёва, Л.П. Краснокутская. – М.: Агентство «Технотрон», 1996.
6. Приложение к газете «1 сентября». Физика. – 2000. - №19.
7. Симоненко Т.М. Элементы экологии в курсе физики / Т.М. Симоненко // Приложение к газете «1сентября». Физика. – 2001. - №41.
8. Чеботарёва А.В. Дидактический материал по физике для 8 класса / А.В. Чеботарёва. – М.: Школа-Пресс,1994.

Литература для учащихся

1. Балашов М.М. О природе: Книга для учащихся 8 кл. / М.М. Балашов. – М.: Просвещение, 1991.
2. Кириллова И.Т. Книга для чтения по физике: Учебное пособие для учащихся 6-7 кл. сред. шк. / И.Т. Кириллова. – М.: Просвещение, 1986.
3. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда / А.П. Рыженков. – 2-е изд. – М.: Просвещение,2000.

Методическое обеспечение программы

1. Примерные темы исследовательских работ обучающихся

Тепловые явления

1. Расчёт энергии, которая выделяется из мусора, выбрасываемого жителями микрорайона (села, города, семьи) в течение месяца.
2. Расчёт количества теплоты, которая теряется при передаче тепла по трубопроводам от котельной до вашей квартиры, школы, детского сада.
3. Вычисление тепловых потерь в своей комнате (классе), учитывая потери энергии через стены, окна, щели в дверях и окнах.
4. Создание проекта энергоснабжения дома будущего.

Электричество, магнетизм и жизнь

1. Влияние на качество воды концентрации положительных ионов водорода. Определение качества питьевой воды в кране, качества почвенной влаги.
2. Исследование зависимости количества ионов водорода от температуры в кислой среде (молоке).
3. Влияние магнитных бурь на состояние здоровья человека в течении 3-х месяцев.
4. Влияние концентрации ионов на растительные клетки.

Световые явления

Влияние света на фотосинтез в растениях.

2. Задачи с экологическим содержанием

Тепловые явления

1. Через систему водяного отопления здания школы за 1 час протекает горячая вода объёмом 8 м3 . Температура воды в падающем трубопроводе 600 С, а в обратном трубопроводе – 450 С. Какое количество теплоты расходуется для отопления здания за 1 час?
2. Налейте в пробирку 10-15 см3 холодной воды. Пробирку зажмите в руке и подержите в течении3-5 минут. Определите изменение внутренней энергии при теплопередаче. Массу воды измерьте при помощи мензурки, а температуру – термометром. Запишите результаты вычислений:

масса воды – удельная теплоёмкость воды – начальная температура воды – конечная температура воды – количество теплоты, полученное при теплопередаче.

3. На отопление микрорайона котельная ежедневно сжигает 0,2 тонны высококачественного каменного угля. Сколько природного газа будет сжигать эта котельная ежедневно после её газификации? КПД отопительных установок принять равными.
4. В радиатор парового отопления поступило 5 кг пара при температуре 1000С. Из радиатора вышла вода при температуре 600С. Удельная теплота парообразования (конденсации) воды – 2,3*106Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4,2 *103Дж/(кг*0С). Сколько теплоты выделилось при конденсации пара? Сколько теплоты выделилось при охлаждении воды?
5. Есть лед и два одинаковых сосуда с водой. Как быстрее охладить воду? Проделайте эксперимент. Что вам требуется, кроме предложенного, для подтверждения справедливости ваших рассуждений?
6. Предложите способ нагревания льда льдом. Опробуйте свои предложения о возможности нагревания или охлаждения льда льдом.
7. Небольшой флакон наполнить водой и поместить в кастрюлю с водой, не касаясь флаконом дна. Вода в кастрюле закипит, а во флаконе? Объясните происходящее. Предложите возможные варианты закипания воды во флаконе.
8. Зачем трубы теплосети обмазывают или обматывают толстым слоем асбеста?
9. Почему ранней весной вокруг деревьев в снегу образуются воронки?
10. На каком выходе из теплообменника бойлерной вода горячее: та, что приносила тепло от ТЭЦ, или та, что нагревалась (исходно холодная)?
11. Почему в городе (особенно летом) всегда теплее, чем за городом?
12. Известно, что при тяжёлой физической работе человек выделяет пот объёмом около 10 л. Какая масса воды может быть нагрета от 40 до 1000С за счёт той тепловой энергии, которая затрачивается на испарение пота объёмом 10 л? Lпота=24,36*106 Дж/кг, Lводы=22,6*106 Дж/кг, для приблизительных расчётов можно Lпота  и  Lводы считать одинаковыми.
13. Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли сена в стогах?
14. Верно ли, что ласточки, низко летающие над землёй, предвещают приближение дождя?

3. Задачи по разделам: «Электрические явления», «Магнетизм в природе»

Экспериментальные задачи

1. Измерить напряжение на источнике (лимон, картофель, кислое яблоко). Исследовать зависимость напряжения от глубины погружения электродов.
2. Свитые вместе два куска проволоки оказываются соединенными параллельно. Определив по размерам сопротивление каждой, рассчитайте их общее сопротивление.
3. Определить сопротивление никелевой и железной проволоки, свитых вместе, используя масштабную линейку. Ответ проверить амперметром и вольтметром.

Вычислительные задачи

1. При франклинизации больного между электродами за время одной процедуры лечения (10 минут) проходит заряд 1,6 * 10-2 Кл. Определите среднюю силу тока.
2. Рассчитайте, сколько сгорает впустую газа в течение года из-за потерь энергии в вашей квартире, если горит одна лампочка в 60 Вт.
3. Вычислить энергозатраты и стоимость энергии на подъём из скважины 1 м3 воды, если КПД насосной установки 56%, а потребляемая ею мощность составляет 4 кВт. Глубина скважины 80 м, высота резервуара водонапорной башни –  15м (средний расход воды в колхозном дворе – 0,27 м3 в сутки).

Качественные задачи

1. Как вести себя во время сильной грозы на открытой местности?

2. Известно, что из двух одинаковых по виду прямых железных брусков один является магнитом, а другой – нет. Как установить, какой из них магнитный?

3. Почему электрическая лампочка в большинстве случаев перегорает в момент включения?

Световые явления

1. С наступлением темноты зрачок глаза расширяется. Как это отражается на резкости изображения окружающих предметов? Почему?
2. При рассмотрении, какого предмета – близкого или далёкого – хрусталик становится более выпуклым?
3. На рецепте написано: +1,5 дптр. Расшифруйте, какие это очки, и для какого типа дефекта зрения?
4. Зачем световые сигналы часто делают мигающими (например, у маяков)?
5. Почему не следует смотреть на пламя, возникающее при электросварке? Почему тёмное стекло предохраняет глаза сварщика от вредного действия пламени?
6. Почему на яркую электрическую лампочку накаливания смотреть больно, а на люминесцентную лампу дневного света, обеспечивающую такую же освещённость, - не больно?
7. Что освещает комнату днём в том случае, когда солнце «не заглядывает» в окно?
8. Зная свой рост, можно приблизительно определить высоту дома или дерева с помощью … карманного зеркальца. Каким образом?
9. Почему при демонстрации кинофильма колёса бегущего автомобиля иногда вращаются в обратную сторону?
10. Почему спецодежда сталеваров покрыта тонким слоем металла?
11. Почему кошачий глаз «светится» в темноте?
12. Почему с моста лучше, чем с берега, видно, как ходит в воде рыба?

4. Эксперимент в домашних условиях

Для того, чтобы ученики почувствовали значимость экологических проблем, предлагается им дома выполнить следующие задания:

1. В чистые стеклянные банки наберите снег из различных мест ( у дороги в лесу или в парке, в поле, в городе у оживленного шоссе) и, поставив их комнате, дождитесь когда снег растает. Поместите рядом банку с водой из водопроводного крана (или колодца). Сравните прозрачность и чистоту во всех банках. Сделайте вывод, где грязнее всего, и объясните почему.
2. Профильтруйте воду, пользуясь любыми небольшими, но чистыми баночками и фильтровальной бумагой (промокашкой). Сделайте это таким образом: положите вокруг баночки промокательную бумагу так, чтобы образовалось небольшое углубление, в которое тонкой струйкой наливайте воду из стеклянной банки. Профильтровав каждую пробу воды, аккуратно достаньте фильтровальную бумагу и высушите, не стряхивая с её поверхности осадка. После высыхания бумаги рассмотрите внимательно находящиеся на ней частички. Сравните (по цвету) осадки от талой воды на листах фильтровальной бумаги. Какова природа осадка? О чём свидетельствует его наличие?
3. Оцените загрязнённость окружающего воздуха: содержание в воздухе твёрдых частиц (пыли, дыма и т.д.) можно определить с помощью пылесоса. Тщательно очистите пылесборник, на его дно положите влажную фильтровальную бумагу, после чего включите пылесос. Через 30-35 минут выключите его, выньте фильтровальную бумагу, высушите и сравните её (по цвету) с листком чистой бумаги.
4. Оценить загрязнённость воздуха можно и таким методом. Чистый кусочек ваты смочите водой и протрите им оконное стекло со стороны улицы. Ватка станет грязной. Выдавите капельку воды вместе с грязью на чистый листок фильтровальной бумаги. Затем точно в середину полученного грязного пятна вводите по каплям чистую воду (впитается одна капля, капните другую и т. д.). Вскоре по листу бумаги начнёт расплываться красочная хронограмма, чем больше примесей, тем она ярче при увеличении диаметра пятна.
5. Определить степень загрязнённости воздуха около дороги можно следующим образом. На нижние ветки деревьев вдоль дороги развесьте влажные листочки фильтровальной бумаги. Через некоторое время (5-6 часов) снимите их, просушите, а затем исследуйте (например, помещая в пламя свечи и наблюдая за цветом пламени), попытайтесь выяснить, какие химические элементы преобладают и дают изменение свечения пламени.

5.Дидактический материал

«Мой дом – моя крепость» - гласит популярная английская пословица. В своём доме каждый человек должен быть уверен в том, что ничто не угрожает его здоровью. Однако для этого нужно знать, какие именно могут возникнуть опасности и как их избежать. Краткие сведения об этом приведены в таблице №1,2, рис.1.

Всё больше и больше электрических приборов входит в наш быт. Но все ли они улучшают наше здоровье? Вовсе нет! Работа многих из них облегчает труд, создаёт комфорт, но отрицательно действует на самочувствие человека. Так что весьма часто за комфорт мы платим здоровьем. В таблице 3 представлены сведения об отрицательном воздействии некоторых бытовых приборов и обозначены возможные меры по уменьшению этого влияния на наше здоровье.

Почва – одно из самых главных национальных богатств любого государства. В нашей стране более 60% пахотных земель загублено в результате их длительной интенсивной химизации и ирригации. Не допустить дальнейшего разрушения почв, оздоровить и повысить их плодородие – вот что сейчас важно. Каковы основные факторы разрушения почвы и меры их уменьшения смотрите в таблице 4.

Таблица 1

Антропогенное воздействие на окружающую среду и изменение ее физических параметров

Таблица 2

Физика и экология жилища

Таблица 3

Физика и экология быта

Таблица 4

Физика и экология почвы

Характеристика отрасли. Электроэнергетика

Электроэнергетическая отрасль России занимает 4 место в мире по установленной мощности после США, Китая и Японии и является одной из базовых отраслей экономики страны. На сегодняшний день доля электроэнергетики в ВВП России составляет 10-11 %, что говорит о высокой электроёмкости промышленности. С 1990г. Электроёмкость продукции возросла на 27 %.

В настоящее время в России функционируют более 700 тепловых и гидроэлектростанций и 9 атомных электростанций. Общая установленная мощность российских электростанций на 1 января 2001 г. Составляет 213,9 млн. кВт. Общая протяжённость линий электропередач составляет 2665 тыс. км, в т.ч. напряжением более 35 кВ – 645 тыс. км (таблица 6).

Основу российской  электроэнергетики составляет РАО «ЕЭС России», которая производит около 70 % всей электроэнергии РФ. Установленная мощность электростанций  РАО «ЕЭС России» составляет 155,1 млн. кВт (72,5 % от общей установленной мощности электростанций России). РАО «ЕЭС России» состоит из шести крупных объединённых энергосистем. Кроме того, существует несколько автономных энергоуправлений, которые не входят в состав ЕЭС. Независимыми энергосистемами остаются «Татэнерго», частично – «Башкирэнерго» и «Иркутскэнерго».

Структура мировых энергоресурсов представлена на схеме 1.

Прогноз производства и потребления электроэнергии до 2020г.

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 г., разработанной Министерством энергетики РФ в 1998 г. и пересмотренной в начале 2000 г., к 2020 г. предполагается увеличение выработки электроэнергии в 1,4 – 1,8 раза по сравнению с 2000 г. (таблица 5).

Таблица 5

Таблица 6

Производство электрической и тепловой энергии в России

Схема 1

Структура мировых энергоресурсов