Конспект интегрированного урока - конференции

«Исследование электрических явлений,

через предметное содержание физики, географии и биологии»

темы: «Электроэнергетика России» - 9 класс (география)

«Трансформаторы» - 11 класс (физика)

Учитель:  Абайдуллина А.В., Ташбулатова А.А.

Аннотация

«Существует непрерывная цепь от физики к химии через биологию и антропологию к социальным наукам, цепь, которая ни в одном месте не может быть разорвана, разве лишь по произволу. Наука представляет собой внутренне единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченностью человеческого познания».    

      Макс Планк.                                                

«Называя физику механикой молекул, химию физикой атомов и далее биологию – химией белков, я желаю этим выразить переход одной из этих наук в другую, - следовательно, как существующую между ними связь, непрерывность, так и различие, дискретность каждой», писал Ф. Энгельс.

Установление межпредметных связей в курсе физики повышает эффективность политехнической и практической направленности обучения.
Интеграция – это объединение в целое разрозненных частей, глубокое взаимопроникновение, слияние в одном учебном материале обобщённых знаний в той или иной предметной области.

Использование знаний из физики на уроках географии помогает обучающимся применять знания об особенностях устройства, функционирования, размещения различного рода электростанций для решения практико-ориентированных задач в контексте из реальной жизни. В результате интегрированного обучения развивается творческое мышление обучающихся.

Содержательные и целенаправленные интегрированные уроки вносят в привычную структуру школьного обучения новизну и оригинальность, имеют определенные преимущества для учащихся, например, они повышают мотивацию, формируют познавательный интерес, что способствует самообразованию, повышению уровня обучаемости и воспитанности учащихся.

Экскурсии имеют большое значение для развития наблюдательности учащихся, формирования у них научного мировоззрения, установления взаимосвязи между различными физическими явлениями.

Цель урока: 

- через межпредметные связи географии и физики, химии и биологии показать общий принцип работы электростанций, превращения одних видов энергии в другие и способы передачи энергии на расстояние;

- повторить, обобщить и систематизировать естественнонаучное миропонимание учащихся, идеи, выражающие фундаментальные закономерности живой природы на примере жизнедеятельности клетки

- организация продуктивной деятельности для достижения обучающимися следующих результатов:

• в направлении личностного развития: ответственного отношения к учению; формирование коммуникативной компетентности в общении со сверстниками в образовательной деятельности; умения ясно, точно и грамотно излагать свои мысли, понимать смысл поставленной задачи, выстраивать аргументацию, приводить примеры; умения контролировать процесс и результат учебной деятельности, оценивать свои учебные достижения;
• в метапредметном направлении: способности адекватно оценивать правильность или ошибочность выполнения учебной задачи; умения строить логические рассуждения, делать выводы;
• в предметном направлении: усвоение области применения явления электромагнитной индукции; усвоение основ конструкции трансформатора, принципа его действия; усвоения знания холостого хода трансформатора и нагруженного; раскрыть взаимосвязь биологии и физики на уровне клетки, а также  расширить знания о науках бионика и биофизика; умение точно и грамотно выражать свои мысли, применяя терминологию физики в процессе рассуждений; развитие способности обосновывать суждения.

Задачи урока: активизировать учебный процесс, вызвать у ученика потребность трудиться, трудом добывать знания: самостоятельно или под руководством учителя.

 - обучающие: способствуют формированию целостной научной картины мира, демонстрация единства законов природы, тесной связи предметов естественнонаучного цикла, рассмотрению предмета, явления с нескольких сторон: теоретической, практической, прикладной; позволяют систематизировать знания;

- развивающие: развивают логическое мышление и речь учащихся (логичность, обоснованность, точность); формируют в большей степени общеучебные умения и рациональные навыки учебного труда.

-воспитательные: повышают мотивацию, формируют познавательный интерес, что способствует самообразованию, повышению уровня обучаемости и воспитанности учащихся; способствуют развитию устной и письменной речи, помогают глубже понять лексическое значение слова, его эстетическую сущность; воспитывают объективно оценивать результаты своего труда.

Тип  урока: интегрированный

Формы работы: сочетание индивидуальной и фронтальной  форм работы. 

Оборудование: мультимедиа проектор,  ноутбук,

 по биологии: таблица «Клетка растений и животных»,

физическое оборудование: трансформатор, аккумулятор, генератор, опорный конспект «Фотосинтез» и  « Энергетический обмен».

Учебные пособия:  карта  «Электроэнергетика России», учебники географии [1] и физики [2], атлас [3].

Структура и ход урока:

План урока:

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Закрепление и обобщение материала: выступление учащихся с докладами

• Дать представление о единой энергосистеме России
• Клетка – накопитель, создатель и преобразователь энергии: а) энергетический обмен;   б) фотосинтез

Действие законов физики в жизнедеятельности клетки: доказать, что клетка – накопитель, создатель и преобразователь энергии на примере энергетического обмена и фотосинтеза; показать действие законов физики в  жизнедеятельности клетки

• Итог урока.
• Домашнее задание. § 10, № 7.2, 7.19, 7.24, лаб. раб. № 3

Ход урока

Орг. момент, мотивация учащихся

Здравствуйте! Сегодня у нас необычный урок физики и географии  (слайд)

Учитель географии: В жизни человека окружающая природная среда является источником существования, а ископаемые природные ресурсы и вырабатываемая из них энергия являются неотъемлемой частью развития современного общества. Без энергетики у человека нет будущего, в настоящее время эти слова очень актуальны.
Электроэнергетика – отрасль, которая производит электроэнергию на станциях и передает ее на расстояние по линиям электропередач (ЛЭП.). Электроэнергетика является авангардной отраслью промышленности, так как без энергии невозможна работа ни одного предприятия. Электроэнергия производится на станциях разных типов, но ведущими остаются гидравлические, тепловые и атомные.
Учитель физики: Рассмотрим превращение энергии в электрическую (видео)

Учитель физики: Атомная энергетика это результат работы многих великих ученых в первой половине ХХ века. Благодаря этому человечество получило огромный источник энергии. Рассмотри цепную реакцию (видео)
Как происходит превращении энергии в атомном реакторе? (видео)

Учитель географии. В состав, какого межотраслевого комплекса входит электроэнергетика?

Учащиеся. Топливно-энергетического комплекса.

Учитель физики. Слово «энергия» – от греческого ενέργεια, что в переводе на русский язык означает деятельность, производительность. Что означает это понятие с точки зрения физики?

Учащиеся. Способность совершать работу.

Учитель физики. Какие виды энергии вы знаете?

Учащиеся. Механическую и внутреннюю. Механическая энергия бывает двух видов – кинетическая и потенциальная.

Учитель физики. Что понимают под внутренней энергией?

Учащиеся. Это энергия частиц, из которых состоит тело.

Учитель физики. От каких факторов зависит внутренняя энергия?

Учащиеся. Внутренняя энергия зависит от температуры и агрегатного состояния вещества.

Учитель географии. Электроэнергетика обеспечивает производство и передачу электроэнергии, а также доставку горячей воды и тепла потребителю. Рассмотрим различные типы электростанций, на которых вырабатывается электроэнергия. Обратимся к схеме.

На западной части нашего с. Новоалександровка, где мы с вами живём, расположена электротрансформаторная станция (видео)

Учитель географии. Обратимся к атласу. По карте «Электроэнергетика России» определите, какими условными знаками показаны ТЭС, ГЭС и АЭС.

Учащиеся. ТЭС показаны розовыми пуансонами, ГЭС – голубыми, АЭС – чёрными.

Учитель географии. Определите, на каких станциях вырабатывается большее количество энергии.

Учащиеся. На ТЭС. Учащиеся анализируют диаграмму: на ТЭС вырабатывается 67% энергии, на ГЭС – 19%, на АЭС– 14%.

Учитель физики. Теперь рассмотрим, какие превращения энергии происходят на этих электростанциях. Рассмотрим превращения энергии, происходящие на ГЭС. (видео)

Рассмотрим атомные электростанции. По принципу работы АЭС очень похожи на ТЭС, только в качестве топлива используется уран. Этот химический элемент, распадаясь, выделяет большое количество энергии, которая затем используется так же, как и на тепловых станциях.

Теперь перейдём к рассмотрению нетрадиционных источников энергии и к видам электростанций, работающих на них. Обратимся к схеме.

Учитель физики. Солнечная батарея, установленная на крыше дома, позволяет запасти энергию и в тёмное время суток использовать её для освещения помещения (фотография д. Новоникольское). По дорогам  Тюменской области ездят 21 электромобиля и с 1 декабря электробус по улицам Тюмени (экспериментально), у которого вместо двигателя внутреннего сгорания будет стоять электродвигатель на солнечной батарее. В пасмурные дни электромобиль может работать от аккумулятора. Это экологически чистый вид транспорта (видео).

Учитель географии. В пределах какой территории действует единая энергосистема (ЕЭС) России?

Учащиеся. Энергосистема – это группа электростанций различного типа, объединённых высоковольтными линиями передачи и управляемых из единого центра. ЕЭС действует на большей части России в пределах главной полосы расселения.

Учитель географии. По карте атласа «Электроэнергетика России» определите, какие районы включены в ЕЭС России.

Учащиеся. Центральная Россия, Северо-Западный район, Поволжье, Урал и Сибирь. На Дальнем Востоке существует своя энергосистема. Некоторые районы Севера и Дальнего Востока не подключены к ЕЭС.

Учитель физики. Теперь посмотрим, как легко электрическая энергия передаётся по проводам (видео).

Учитель физики. Целесообразно ли передавать пар на большие расстояния?

Учащиеся. Нет, он теряет свою внутреннюю энергию.

За месяц расход энергии получается значительный, если учесть, что многие электроприборы работают одновременно. Как снизить эти потери?

Учитель физики. Какие ещё можно предложить энергосберегающие технологии?

Учащиеся. Я подсчитал количество энергии, которое потребляет электрообогреватель мощностью 1500  Вт. Если обогреватель работает 2 ч в день, то потребляемая энергия составит 3 кВт · ч. Эта энергия эквивалентна той, которую необходимо затратить, чтобы выплавить 60 кг чугуна. Чтобы уменьшить расход энергии, нужно утеплить окна.

Учитель географии. Электроэнергетика – это основа народного хозяйства и нашего быта. Основные минеральные ресурсы – источники энергии – являются исчерпаемыми, и мы не должны об этом забывать. Кроме того, мы должны учитывать напряжённость экологической ситуации, разумно и бережно пользоваться электрической энергией.

Каждый из них имеет свои технико-экономические особенности и факторы размещения, положительные и отрицательные стороны.
Учитель. Неужели у нас все так плохо? А нельзя ли нам обойтись без ТЭС, ГЭС и АЭС? Можно. Будущее за нетрадиционными источниками энергии. Они более дешевые, быстро строятся, не загрязняют окружающую среду. К ним относятся уже известные всем источники: солнечная, геотермальная, ветровая, приливная, биогаз и биомасса. Добавился новый биологический источник энергии – мембранное электричество. Сегодня поговорим о нетрадиционных источниках энергии, которые можно использовать у нас в Тюменской области.

Учитель. Что же собой представляет мембранное электричество?

Сценка. (Перед нами лаборатория университета. В ней за чашкой кофе спорят два представителя науки: Оптимист и Скептик)

Оптимист: Ты уже читал? Сенсация? Удалось показать наличие мембранного потенциала в живой клетке!
Скептик. Не читать, не писать я не буду. Во-первых, я там ничего не пойму, а во-вторых, ничего значительного не вижу в этих исследованиях. Измеряют, изменяют биотоки то в одной части тела, то в другой. А кто скажет, какое это имеет значение?
Оптимист. Для чего растениям нужен солнечный свет?
Скептик. Давай договоримся: говорить по существу. Ответ на этот вопрос хорошо известен биологам – для фотосинтеза.
Оптимист. Могу с тобой поспорить. Сегодня на этот вопрос отвечают иначе. Солнечный свет нужен для того, чтобы поддерживать электрический мембранный потенциал. Создать аккумулятор энергии!
Скептик. Что-то неладно получается. Появился новый источник энергии? Где результаты официальных испытаний?
Оптимист. Еще в 1978 году английскому ученому Питеру Митчеллу была присуждена Нобелевская премия за открытие в области мембранного электричества.
Скептик. В чем состоит его открытие?
Оптимист. Вот, почитай.
Скептик.  «Хемо-соматическое сопряжение Митчелла. При окислении питательных веществ дыхательной цепью митохондрии происходит разделение электронов по разные стороны мембраны…». Нет, я же  говорил тебе, что ничего не пойму, и уверен, что среди присутствующих не найдется человека, который бы повторил или объяснил смысл прочитанного. Может быть, ты нам расскажешь, что понимают под мембранным электричеством?
Оптимист. Ну, хорошо, слушай. В организме имеются специальные вещества – ферменты, которые осуществляют в определенном порядке химические превращения питательных веществ. По Митчеллу, каждый из ферментов дыхательной цепи – это миниатюрный генератор электрического тока, способный самостоятельно зарядить мембрану. Согласно этой гипотезе, цепь переноса электронов можно представить как насос, перекачивающий ионы водорода. Этот процесс ведет к появлению трансмембранного электрического потенциала – наружная  сторона мембраны оказывается электроположительной. Ионы водорода вновь устремляются из окружающей среды внутрь клетки, но на этот раз благодаря электрическому полю. Этот переход сопровождается выделением свободной энергии, за счет которой синтезируется АТФ. Таким образом, электрическая энергия становится унифицированной формой энергии в клетке и, следовательно, жизнь клетки непосредственно связана с электричеством.
Скептик. Но мембранный потенциал клетки – это только гипотеза Митчелла!

Учитель. Спор продолжается…..  
Мы рассказали лишь о некоторых факторах науки, о наиболее интересных экспериментах, убедились, что окончательных побед не бывает. Открыто и сделано много, но предстоит сделать ещё больше!

Учитель физики проводит беседу с учащимися, повторяя материал о физических телах, их строении и составе.

                    Что такое энергия?

                    Виды энергии.

Какие виды энергии можно преобразовать в электрическую?

Учитель биологии: Если клетке нужна энергия, то клетка должна управлять этой энергией. Каким же образом это происходит?

 Ответы учащихся: 1)Рассказ о накоплении энергии во время  фотосинтеза; (с использованием схемы на экране,  с помощью мультимедиа проектора)(слайд)

 2) Рассказ о накоплении энергии во время биосинтеза белка (с исп. Таблицы Слайд)

Учитель физики ведет беседу с учащимися: существуют ли приборы в физике, накапливающие энергию?

Учащиеся рассказывают об аккумуляторах -

Учитель биологии Будет ли являться клетка – аккумулятором энергии. В каком виде она накапливается в клетке?

Учащиеся: Клетка является аккумулятором энергии. В клетках происходят сложные химические реакции. При распаде молекула дробиться, рвутся её связи, а запасы химической энергии, которая освобождается, сохраняются в клетке в виде АТФ – единственного универсального источника живых организмов. В нужный момент, когда клетке требуется энергия, то она получает её, отщепляя от молекулы АТФ одну из фосфорных групп. Если такого количества энергии недостаточно, отщепляется ещё одна фосфорная группа. Клетка работает, как аккумулятор энергии. (слайд)

Учитель биологии:  Но клетка – еще и преобразователь. Она превращает химическую энергию питательных веществ, поступающих в клетку в другие виды энергии, например электрическую. В нервных клетках химическая энергия, а в сетчатке глаза – световая, превращаются в электрическую энергию.

Учитель физики: Назовите прибор, способный преобразовывать и вырабатывать энергию

Учащиеся называют трансформатор, генератор (видео)

Учитель биологии предлагает учащимся подумать  является ли клетка генератором. Учащиеся отвечают - (рассказ об энергетическом обмене с исп. табл. слайд).

Учитель биологии делает вывод: клетка работает как аккумулятор (накопитель), генератор (создатель) и преобразователь (трансформатор). Она работает ещё как усилитель, мультивибратор, реле, фильтр. И это далеко не все функции клетки. Но даже из перечисленных примеров видна универсальность выполняемых ею функций.

А теперь мы вам предлагаем заполнить таблицу

(слайд)

Клетка – элементарная единица жизни. Клетки в многоклеточных организмах объединяются в группы (ткани) и специализируются на определенных функциях. В одноклеточных организмах клетка выполняет все необходимые жизненные функции, т.е. она существует самостоятельно, независимо от других клеток. Благодаря наличию в клетке органоидов, которые имеют определенное строение и функции, а также их тесной взаимосвязанности, в клетке обеспечивается единство целого и функциональность (рост, движение, питание, размножение, дыхание, обмен веществ). Таким образом, клетка многофункциональная структурная единица. Выполняемые ею функции универсальны.

       Клетка - накопитель. Накапливает органические вещества и неорганические вещества подобно аккумулятору. В нужный момент АТФ расщепляется и отдает энергию.

       Клетка – создатель энергии. В ней есть энергетические станции – митохондрии и пластиды. Клетка работает как генератор.

       Клетка – усилитель, то есть преобразователь энергии. Преобразует один вид энергии в другой, является трансформатором.

      Изучением универсальности функций клетки занимается наука биофизика – наука, выясняющая физические основы строения и функционирования живых систем (а мы говорим, что клетка – живая система).
Учитель физики: Какими бы ни были типы электростанций, главное устройство на любой из них – это генератор.

Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию.

Примеры генераторов:

- гальванические элементы;

- электростатические машины;

- термобатареи;

- солнечные батареи;

- индукционные генераторы постоянного и переменного тока.

В современной энергетике применяются индукционные генераторы переменного тока, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции.

? Вспомните, что такое электромагнитная индукция, и кто открыл это явление?

Ответ: Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении индукционного тока под действием переменного магнитного поля.

В настоящее время существуют различные модификации индукционных генераторов. Но все они состоят, из одних и тех же, частей – это магнит или электромагнит, создающий магнитное поле, и обмотка в которой индуцируется ЭДС.

Принцип действия генератора

Принцип действия генератора нам поможет понять модель, находящаяся у меня на столе (или рис10.2 стр.68 учебника):

Обратите внимание, в данной модели генератора вращается проволочная рамка, магнитное поле создает неподвижный, постоянный магнит. При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, под действием которой свободные заряды приходят в направленное движение, то есть наводится ЭДС индукции, которая имеет магнитное происхождение.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором.

Ротор – подвижная часть генератора

Обмотки, в которых наводится ЭДС, вложены в пазах статора.

Статор – неподвижная часть генератора.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Генераторы вырабатывают переменный электрический ток.

Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.

График переменного тока представлен на стр 68, рис. 10.3 учебника. Отрицательное значение силы тока соответствуют противоположному направлению тока.

Переменный ток имеет преимущество перед постоянным, потому что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовать (трансформировать) почти без потерь, а такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно большая необходимость трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Трансформатор (от лат. transformo - преобразовывать) - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Простейшая цепь передачи электроэнергии выглядит так:

электростанция - понижающий трансформатор - провода повышающий –трансформатор -  потребитель.

При пользовании трансформаторами нужно строго соблюдать правила техники безопасности.

Подведение итогов. Рефлексия.

Рефлексия проводится с помощью методики незаконченного предложения.

Сегодня на уроке…

Мне удалось…

Я не понял(а)…

Я считаю…

Домашнее задание: подготовить сообщение о работе сельской электротрансформаторной подстанции; написать сочинение на тему об экономии электроэнергии. Предложить,  как можно использовать особенности строения и жизнедеятельность  живых организмов на практике.

Учитель. Наш урок завершен. Мы совершили небольшое путешествие по истории электричества и как бы заново «открыли» некоторые его законы. Мы убедились, какую большую роль играют электрические явления в природе. И в настоящее время можно утверждать, что электричество – живая, продолжающаяся развиваться интереснейшая область знания о природе!

Мы поработали на славу – коллективно, слушали своих товарищей, и индивидуально, отвечая на вопросы и делая необходимые записи.

(выставление оценок по предметам)

Всем, кто принимал участие в работе нашей конференции, спасибо!

Используемая литература:

1.      А.Дубинин «Общая биология» (пособие для учителя), Москва, «Просвещение»,1978 и

2.      Журнал «Биология в школе» №5,87 с. 43

3.      Журнал «Биология в школе 1,89, с. 3

4. Физика 9 авт. А.В.Перышкин, 11 авт. В.А.Касьянов 

Экскурсия на трансформаторную подстанцию. На уроке, предшествующем экскурсии, и перед началом экскурсии следует напомнить учащимся о том, что высокое напряжение опасно для жизни, что нельзя близко подходить к проводам и установкам, находящимся под напряжением, надо строго соблюдать дисциплину и меры предосторожности – перемещаться в помещениях и на территории электростанции и трансформаторной подстанции можно только по указанию учителя.

Придя на территорию подстанции, учащиеся в первую очередь осматривают здание и мачту подстанции, воздушные вводы высоковольтной и низковольтной сетей, а затем переходят к более подробному осмотру силовых трансформаторов, аппаратуры и приборов распределительных устройств.

Для осмотра используются резервные или вышедшие из строя трансформаторы и аппаратура (нужно заранее подготовить их для показа). Показывают однофазный и трёхфазный трансформаторы в собранном и полуразобранном видах, обмотки трансформатора, провода обмоток и их изоляцию, бак с маслом, выводы трансформатора. По пути домой или в школу учащиеся осматривают воздушные линии высокого и низкого напряжения и пополняют свои схемы и зарисовки. Следует обратить внимание на расположение проводов линий электропередачи на опорах, их закрепление, изоляцию от опор и друг от друга с помощью штыревых или подвесных изоляторов. Минимальное расстояние по вертикали от поверхности земли до провода низковольтной линии 4 м, а до провода высоковольтной линии – не менее 5 м, в населённых пунктах – соответственно 6 и 7 м.