Ребко Т.М. Задачи по физике с эколого-краеведческим содержанием

При обучении физике большие возможности для воспитания у школьников доброты, готовности к участию в спасении природы, в сохранении ее красоты и богатства предоставляет процесс подбора, составления, решения и анализа различных видов задач, в которых явления рассматриваются с точки зрения влияния на окружающую среду. Авторы предлагают для использования подобранные, составленные и систематизированные задачи с эколого-краеведческим содержанием.

При обучении физике большие возможности для воспитания у школьников доброты, готовности к участию в спасении природы, в сохранении ее красоты и богатства предоставляет процесс подбора, составления, решения и анализа различных видов задач, в которых явления рассматриваются с точки зрения влияния на окружающую среду.

Небольшую проблему, решение которой осуществляется на основе законов и методов физики с помощью математических действий, эксперимента и логических умозаключений можно назвать физической задачей.

Все задачи, содержащиеся в сборниках, предназначенных для использования в средних учебных заведениях, можно классифицировать по различным признакам. Задачи могут различаться: 1) по содержанию; 2) по степени трудности; 3) по основному методу решения и т.п. Предлагаем для использования подобранные, составленные и систематизированные нами задачи с эколого-краеведческим содержанием.

1. По содержанию задачи следует разделять прежде всего в зависимости от направленности их физического материала.

Примеры задач с политехническим содержанием.

1. Маршрутный автобус расходует за день 60 кг бензина. Сколько кубометров газа выделяет он в городе, загрязняя среду? Плотность этого газа при температуре 0 °С равна 0,002 кг/м³. Какие способы защиты атмосферного воздуха от загрязнения выбросами автотранспорта вы можете назвать?

  V= 30 000 м³. Градостроительные мероприятия – приемы застройки и озеленения автомагистралей; оценка автомобилей по токсичности выхлопов; перевод автомобильного транспорта на дизельные двигатели; разработка устройств снижения токсичности – нейтрализаторов; создание электромобиля; разработка новых систем регулирования уличного движения, так как при остановке и наборе скорости автомобиль выбрасывает в несколько раз больше вредных веществ и др.

2. Для обогрева почвы в парниках применяется нагревательный элемент, изготовленный из стальной проволоки длиной 693 м и сечением 7 мм². Определите количество теплоты, выделяемой ежесекундно нагревательным элементом, если по нему проходит ток силой 22,7 А. В чем сущность «парникового эффекта», играющего важную роль в тепловом балансе нашей планеты?

  Q= 4998,3 Дж. Стекло или полиэтиленовая пленка непрозрачны для тепловых лучей. Это явление «не выпускания» излучения и есть парниковый эффект. Им обусловлено интенсивное прогревание воздуха, происходящее в парниках.

3. Во время пахоты на влажной почве колесный трактор забуксовал. Выполняется ли в этом случае трактором работа? Какая экологически нежелательная проблема возникает при этом?

Нет, так как нет перемещения. При буксовке нарушается почвенный покров, что приводит к усилению эрозионных процессов и уровня загрязнения почвы, а это оказывает влияние на растительность, поверхностные и грунтовые воды.

• В воспитательных целях целесообразно применять задачи с историческим содержанием. Условия таких задач отражают факты исторического характера о физических опытах, открытиях, изобретениях, методах определения физических величин и т.д. Это позволяет ввести элементы истории физики и техники в курс физики.

Примеры задач с историческим содержанием.

1. Академик В.В. Шулейкин открыл интересное явление: на берегу моря резиновый шар-зонд, приближенный к уху, вызывает сильную боль в ухе, если где-то в море бушует шторм. Чем объясняется это явление? Какое практическое значение оно может иметь?

Далекий шторм образует инфразвуки. Усиленные шаром-зондом инфразвуковые колебания до боли давят на барабанную перепонку уха. Явлением можно воспользоваться для устройства прибора, предупреждающего о приближении шторма.

2. После взрыва атомной бомбы в Хиросиме и Нагасаки было замечено, что люди, одетые в белую (и других светлых тонов) одежду, получили менее сильные ожоги, чем одетые в темное. Чем это объясняется?

Белая одежда лучше отражает лучи, чем темная, поэтому нагревается меньше.

Примеры.

1. Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной линии электропередачи?

Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между ногами птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина тока в них обратно пропорциональна·сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Нужно добавить еще, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.

2. Поднимая ведро с углем на четвертый этаж, мы увеличиваем потенциальную энергию угля примерно на 800 Дж (вес угля около 80 Н и высота, на которую он поднят, приблизительно 10 м). Куда исчезает эта дополнительная энергия после того, как уголь сгорает в печке? Почему сжигание топлива и выбросы промышленных отходов повышают интенсивность атмосферного парникового эффекта, что обусловливает на Земле глобальное потепление?

Если уголь сгорает на высоте четвертого этажа, то потенциальная энергия продуктов сгорания (вода, зола, углекислый газ, окись углерода, несгоревшие частицы угля) будет ровно на столько больше, на сколько была увеличена потенциальная энергия угля. В масштабах Земли роль стекла или пленки выполняет углекислый газ, содержащийся в атмосфере нашей планеты.

3. Период полураспада радия составляет 1590 лет. Это означает, что через такой промежуток времени от имеющегося в наличии в настоящий момент некоторого количества радия останется половина. Можно ли заключить, что через 3180 лет на Земле вообще не останется радия?

Сделанный вывод неверен. Через «вторые» 1590 лет распаду подвергнется половина от оставшейся половины. Радий не только распадается, но и сам является продуктом распада, – его запасы на Земле непрерывно пополняются в результате распада радиоактивного элемента тория.

II. По степени трудности физические задачи разделяют на простые, сложные и творческие.

Примеры.

1. Солнечная электростанция, построенная в Араратской долине, имеет мощность 1200 кВт. Площадь ее солнечных батарей 6000 м². Величина солнечной постоянной, то есть количество лучистой энергии, посылаемой Солнцем ежесекундно через площадку в 1 м², перпендикулярную солнечным лучам и находящуюся на таком же расстоянии от него, что и Земля, Wc= 1,37·10³ Вт/м². Определите КПД станции. Как используется в народном хозяйстве энергия Солнца и почему она считается самой экологичной?

КПД = 15%. Сейчас существуют два основных направления в развитии солнечной энергетики: снабжение теплом благодаря переходу солнечной энергии во внутреннюю (гелиокухни, водонагреватели, жилые дома с солнечным отоплением, теплицы, сушилки для фруктов, опреснители воды, «солнечные» холодильники и др.); солнечные электростанции. Развитие гелиоэнергетики может уменьшить загрязнение окружающей среды, обусловленное сжиганием топлива.

2. Прицепной канавокопатель, предназначенный для нарезки каналов постоянной оросительной системы, имеет тяговое сопротивление (равное тяговому усилию трактора) 180 000 Н и движется с рабочей скоростью 4 км/ч. Определите мощность на крюке трактора, работающего с канавокопателем. Какой принцип используется в строительстве оросительных и осушительных систем? Какие экологические проблемы возникают при работе этих объектов? Каковы возможные последствия вмешательства человека в естественное состояние природы?

 N = 200 кВт. Принцип сообщающихся сосудов. Возникает проблема перераспределения воды в больших количествах, изменяется микроклимат данной местности, история влияния человека на природные условия всей планеты показывает, что технический прогресс постоянно увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создает предпосылки для возникновения экологического кризиса.

Примеры.

1. Определите мощность ветродвигателя при скорости ветра 9 м/с, если диаметр поверхности, ометаемой колесом ветродвигателя, 8 м, а КПД равен 0,3. Раскройте экологические преимущества ветроиспользования.

Задача решается так: масса воздуха, проходящего за 1 с через ометаемую колесом поверхность,  где V – объем воздуха, u – его скорость. Энергия, которой обладает эта масса воздуха, , а мощность, развиваемая ветродвигателем, .

Ответ: 4,7 кВт. Получение электроэнергии на ветровых станциях наиболее дешево и не сопровождается вредным воздействием на природу.

2. Теплогенератор, предназначенный для отапливания птичников, свинарников, теплиц, ремонтных мастерских, досушивания травы, дает в час 6,3∙10⁸ Дж теплоты, расходуя при этом 18,3 кг керосина. Необходимая мощность вентилятора 4,9 кВт, Определите КПД установки. Какие другие способы защиты растений и животных от перегрева и переохлаждения вы можете назвать.

Вся затраченная энергия    КПД теплогенератора 

Ответ: 80%. Чтобы спасти цветущие фруктовые сады от заморозков, зажигают дымовые кучи; строят тепловые сараи для домашних животных, домики для птиц; стволы деревьев покрывают слоем извести, чтобы не потрескалась кора на солнце, и др.

3. Требуется охладить за период выпаса 1000 т молока с +35 до +5 °С, удельная теплота плавления льда 340000 Дж/кг, плотность его 800 кг/м³, а удельная теплоемкость молока 4200 Дж/(кг∙К). Сколько льда следует заготовить?

Количество теплоты, выделившейся при охлаждении молока,  масса льда, расплавившегося за счет количества теплоты, выделившейся при охлаждении молока,  объем льда    V = 400 м³.{mosimage}

Примеры таких задач.

1. Исследуйте, зависит ли скорость диффузии от рода соприкасающихся жидкостей. Приведите примеры проявления диффузии с экологической точки зрения.

Разного рода загрязнители проникают в те вещества, которые обеспечивают жизнедеятельность растений, животных, человека.

2. Разработайте способ определения влажности земли физическими методами.

Можно предложить методы: а) определение массы воды выпариванием; б) определение влажности земли по ее плотности; в) определение влажности по значению электрического сопротивления, методом амперметра и вольтметра по формуле  или используя омметр.

3. Исследуйте позитивность влияния магнитного поля на всхожесть семян и урожайность растений.

Для обработки семенного материала в магнитном поле необходимо поместить в бумажный мешочек примерно одинаковые по форме и массе семена (пшеница, кукуруза, фасоль, горох и др.) Установку для обработки семян (рис. 1) собирают из деталей универсального трансформатора и дроссельной катушки. На сердечник трансформатора надевают катушку большой индуктивности и винтами укрепляют конические наконечники заостренными концами друг к другу. Мешочек с семенами подвешивают так, чтобы он находился между наконечниками. Через катушку пропускают электрический ток. Обработанные₍ магнитным полем семена сеют в почву, а рядом семена того же растения, но не подвергшиеся обработке. Анализируют и обобщают результаты.

Рис. 1.

III. По основному способу решения задачи классифицируют на качественные, вычислительные, графические, экспериментальные. Такая классификация важна, так как позволяет учителю подбирать задачи в соответствии с математической подготовкой школьников, уровнем их знаний и с учетом других факторов.

Примеры таких задач:

1. Почему на нефтебазах не наливают нефтепродукты в цистерны до самого края?

При нагревании бензин, лигроин и т.п. сильно расширяются. Заполнение цистерн до краев привело бы к потерям горючего и загрязнению окружающей среды.

2. Известно, что ожог кожи наступает при соприкосновении ее со средой, имеющей достаточно высокую температуру. Так, если поместить руку на некоторое время в воду с температурой 55-60 °С, можно получить опасные ожоги. Почему же на воздухе человек может безболезненно переносить жару в 50-60°С и не получает при этом ожогов?

При большой температуре окружающего воздуха человек потеет. Пот же, испаряясь, понижает температуру тела, чем и охраняет ее от ожогов. В горячей воде испарения не происходит и кожа обжигается.

3. Загрязнение атмосферы отходами промышленности приводит к уменьшению ледников на горах. Почему? Каковы возможные экологически нежелательные последствия этого?

Из-за парникового эффекта температура окружающей среды увеличивается. Это приводит к таянию ледников, увеличению уровня мирового океана и, как следствие, затоплению материков.

4. Почему сады не рекомендуется разводить в низинах?

Холодный воздух, как более плотный, будет скапливаться в более низких местах. В таких местах бывают чаще заморозки, пагубно влияющие на фруктовые деревья.

Для вычислительных задач (иногда их называют количественными, расчетными или числовыми) характерно то, что ответы на поставленные в них вопросы не могут быть получены без математических операций. Задачи этого вида наиболее полно представлены во всех задачниках, которыми пользуются учителя, их много решают на уроках физики и задают учащимся на дом.

Примеры таких задач.

1. Пользуясь графиком движения туриста (рис. 2), ответьте на следующие вопросы:

а) О чем говорит участок II?

б) На каких участках какими видами транспорта пользовался турист?

в) Когда и сколько он отдыхал?

г) Когда вернулся домой?

Рис. 2.

Участок IIграфика показывает, что через 2 часа после отправления в путь турист вынужден был вернуться домой; б) Если судить по скорости его движения, то на участках I, IIон двигался пешком, на участках III-V– на велосипеде или лошади, на участке VII – на поезде, автомобиле или мотоцикле, вернулся домой (участок IX) – на самолете; в) турист отдыхал по часу на участках IV, VIи 3 часа – на участке VIII; г) турист вернулся обратно через 15 часов после первого отъезда из дома.

2. Агрегат для задержания снега на полях, состоящий из трактора ДТ-75М и снегопаха СВУ, трогается с места на первой передаче, а спустя 15 с водитель переключает другую передачу. На графике (рис. 3) изображена зависимость пути агрегата от времени. Определите по графику скорость агрегата на первой передаче? Какой она стала после переключения скорости? Какой путь прошел агрегат за 35 с с начала движения? Какова его средняя скорость на этом пути? Почему для земледелия экологически «выгодно» задерживать снег на полях?

Рис. 3.

Скорость агрегата на первой передаче 1 м/с. После переключения передачи агрегат прошел 50 м и его скорость составила 2,5 м/с; 65 м; 1,85 м/с. Снег обеспечивает теплоизоляцию корневой системы растений, а весной хорошо увлажняет почву.

Примерами экспериментальных задач могут быть следующие:

1. Будет ли обычный компас работать в автомобиле? Проверьте на опыте.

2. Рассчитайте и сверьте по счетчику количество электроэнергии, которое потребляет ваша стиральная машина за 3 часа работы.

3.Определите электроэнергию, которая расходуется без пользы, в ваших квартирах за месяц и подсчитайте ее стоимость. Постройте график, откладывая по оси абсцисс время tв днях, а на осиординат – расход электроэнергии А (, где N – мощность потребителя, n – число одинаковых потребителей, t – время работы потребителей без пользы).

С целью экологического образования и воспитания можно при изучений конкретных тем курса физики предлагать учащимся задание: составить и решить каждому ученику одну задачу (качественную, занимательную, расчетную, экспериментальную и т.д.) с экологическим содержанием на материале промышленного и сельскохозяйственного производства, окружающей среды и домашнего быта. При составлении задач необходимо иметь в виду следующее:

а) задачи нужно иллюстрировать рисунками, графиками, чертежами, схемами;

б) задачи должны быть органически связаны с программным материалом, соответствовать школьному курсу физики;

в) каждая из составленных задач должна содержать физические закономерности.

Пример такого обсуждения.

Задача. Расход горючего у современных двигателей внутреннего сгорания составляет около 0,18 кг/л.с. в час. Какому коэффициенту полезного действия это соответствует? Теплота сгорания топлива q = 4∙10⁷ Дж/кг, 1 л.с. = 736 Вт.

Работа, совершаемая за 1 час двигателем мощностью в 1 л.с, равна  затраченная за 1 час энергия = 10⁷ Дж/кг∙ч∙ 0,18 кг = 7,2∙10⁶ Дж.

 100% = 37% .

Учащимся поясняют, что любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию сравнительно небольшую часть той энергии, которая получается при сжигании топлива. Большая часть энергии отдается окружающей среде: отводится системой охлаждения в атмосферу; расходуется на преодоление сил трения и сопротивления; уносится в атмосферу выхлопными газами (около 25%). Следовательно, для защиты природы важно увеличить КПД тепловых установок и пользоваться эффективно сгорающим топливом, дающим как можно меньше вредных продуктов сгорания (увеличение КПД уменьшает вред тепловых установок, связанный с выбросами продуктов сгорания в окружающую среду и с добычей топлива.

Загрязнение окружающей среды, и в особенности воздуха, выбросами промышленных предприятий, автомобильного транспорта вызывает в последние годы все большее беспокойство людей во многих странах. Значительная часть этих выбросов, соединяясь в атмосфере с водяными парами, выпадает затем на землю в виде так называемых кислотных дождей. Эти вредные и для человека и для природы выбросы могут перемещаться в воздушных потоках на большие расстояния. Установлено, что «кислотные дожди» снижают устойчивость человеческого организма к простудным заболеваниям, ускоряют коррозию конструкций из стали, никеля и меди, разрушают песчаник, известняк и мрамор, зачастую наносят непоправимый ущерб зданиям и памятникам культуры.