Законы сохранения в природе
методическая разработка по физике (9 класс) на тему

Урок в 10 классе « Законы сохранения в природе»

Образовательная задача: показать учащимся возможность обобщения физических, химических, биологических знаний на основе законов сохранения; способствовать созданию единого взгляда на мир.

Воспитательная задача: формировать чувство патриотизма, гордости за достижения отечественной науки; способствовать формированию у учащихся духовного наслаждения, проникая в тайны науки.

Развивающая задача: развивать интеллектуальные возможности учащихся, логическое мышление, обучать приемам самостоятельной работы, а так же умению делать обобщающие выводы.

Оборудование: тележка с опускающимся грузом, колесо Максвелла, груз на пружине и математический маятник, подвешенные на штативе, стеклянная трубка (длиной 70-80 см.), наковальня, закаленный стальной шарик;  слайды, компьютер, мультимедийный проектор.                              

Пергаменты не утоляют жажды, ключ мудрости не на страницах книг.

            Кто к тайнам жизни рвется мыслью каждой – в своей душе находит он родник.

План проведения урока.

1.Актуализация знаний. Повторение изученного  - 4 мин

2.Новый материал – 25 мин

3.Закрепление – 10 мин

4.Подведение итогов – 4 мин

5.Домашнее задание – 1 мин

6.Рефлексия – 1 мин

I.  Повторение.

а) индивидуальное задание:

записать на доске формулы потенциальной и кинетической энергий;

записать формулу механической работы, связанной с изменением кинетической и потенциальной энергий;

б) коллективная работа (В.Г. Разумовский « Задания для контроля знаний учащихся по физике» с. 74 – 75).

Задача. (слайд 4)

Шарик массой 0,04 кг. С высоты h = 1 м. скользит по поверхности, форма которой показана на рисунке и останавливается в точке 5. Принять g = 10 м/с2 . Cила трения действует на шарик только на участке между точками 4 и5.

h=1м                                                                      h=0,75м

Вопросы:

1.Чему равна величина потенциальной энергии шарика в точке 1?

а) 0,   б) 0,1 Дж,  в) 0,2 Дж,  г) 0,3 Дж, д) 0,4 Дж.

2. Чему равна величина кинетической энергии шарика в точке 3?

а) 0,   б)0,1 Дж,     в) 0,2Дж,   г) 0,3Дж,  д) 0,4Дж.

3. Чему равна работа, совершенная силой тяжести на пути от точки 4 до точки 5?

а) 0,   б) 0,1 Дж,  в) 0,2 Дж,   г) 0,3 Дж,   д) 0,4 Дж.

II. Новый материал.

Вопрос: Какие вы знаете основные законы, объясняющие явления природы?

Учитель: Давайте попытаемся создать единый взгляд на мир. Я приглашаю вас убедиться в том, что законы сохранения – это фундаментальные законы природы и, что закон сохранения и превращения энергии – один из них.

Задание (предлагается всему классу)

Заполнить таблицу «Законы сохранения»

Учитель: Четырехлетнему ребенку, который мог складывать только по пальцам, был задан вопрос: «Сколько будет, если к 12 прибавить 4?» Через минуту он  «выдал» ответ «16». На вопрос как он это узнал, ребенок невозмутимо ответил: «Я 4 раза прибавил к 12 по 1». Какой закон сохранения интуитивно использовал мальчик?

Ответ: Закон сохранения общего числа единиц.

Учитель: Можно многое рассказать о значении законов сохранения в науке. Остановимся на некоторых из них.

Закон сохранения энергии. Хронология открытия ЗСЭ.

 ( Сообщение 1 учащегося) Ф. Энгельс сказал: «ЗСЭ – абсолютный закон природы». Этот закон был установлен не явно. Сначала в виде «золотого правила» механики, которым пользовались еще древние греки (Архимед). Слайд 2

   Галилей применил его к решению механических задач, т.е. он интуитивно использовал ЗСЭ. Затем появился принцип невозможности создания вечного двигателя, проекты которого начали возникать еще в XIII веке. Изобретатели вечного двигателя не подозревали о существовании ЗСЭ, однако уже в XVI веке многим ученым стала ясна мысль о невозможности создания вечного двигателя. Слайд 3

  Леонарда да Винчи в сочинении «О ложных науках» писал: «О, искатели постоянного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Прочь идите к искателям золота!»

  Наиболее близко подошел к открытию ЗСЭ Г.В.Лейбниц (1646 – 1716гг.) незадолго до смерти он писал: «Я утверждаю, что деятельные силы сохраняются в мире, что два мягких или неупругих тела при столкновении теряют свою силу. На то я отвечаю, что это не так… Потеря… имеет место только по видимости; силы не уничтожаются, а  лишь рассеиваются в чрезвычайно мелких частях; здесь происходит не потеря силы, а нечто подобное тому, что имеет место при размене крупных денег на мелкие».

  Примерно в это же время ЗСЭ проявлялся в формулировках Декарта, Гюйгенса, Бернулли, Эйлера, Даламбера и Лагранжа. Трудами последних трех ученых был подготовлен и установлен в механике закон сохранения механической энергии в виде постоянства суммы кинетической и потенциальной энергий (Ер+Еk=const). Но глубокий смысл этого постоянства не был вскрыт. Слайд 4

  ( Сообщение 2 учащегося)  Механики-теоретики того времени не поднимались до общефизических, а тем более до философских обобщений. Это могли делать лишь ученые с достаточной широтой взглядов. К такому типу ученых относится М.В.Ломоносов. В возрасте 37 лет в письме к Эйлеру он писал:

  « Все встречающееся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо прибавилось, то это отнимается у чего-то другого…Тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому…»

  В дальнейшем было открыто и практически осуществлено превращение энергии теплового движения в механическую, установлен закон электромагнитной индукции (1831г. М.Фарадей), закон  Джоуля-Ленца (1841г), превращение химической энергии в электрическую в химическом источнике тока (1799, А.Вольта) и другие эффекты,  в которых проявляется всеобщий закон  сохранения и превращения энергии. Последний был окончательно установлен в середине XIX века трудами Р.Майера, Д.Джоуля и Г.Гельмгольца. Слайды 5 - 6

 Учитель: Открытие этого фундаментального закона, послужившего, по словам Ф.Энгельса, одним из оснований возникновения диалектического материализма, происходит весьма сложным, длинным и  нелегким путем.

  Экспериментальные исследования, иллюстрирующие ЗСЭ.

Опыт 1. Наглядно можно показать превращение энергии на примере тележки с падающим грузом. Анализируем результаты опыта. Почему тележка пришла в движение? Какие превращения энергии происходят  в системе «Земля – тележка»

Опыт 2. Маятник Максвелла.

Учитель: Почему маятник опускается? Какая энергия при этом уменьшается, а какая увеличивается? Почему, дойдя до крайнего нижнего положения, маятник начинает подниматься?

Учитель: Перейдем от экспериментальных исследований к теоретическому обоснованию ЗСЭ.

Рассмотрим замкнутую систему тел, в которой действуют консервативные силы (силы тяжести или сила упругости).

Вывод ЗСЭ. Слайд 7

                А= ΔЕk = Ek 2- Ek1         (1)

                        А=- ΔЕp = Ep1-Ep2        (2)

Совместное решение (1) и (2) дает следующее выражение

(3)

Е = Еp+Ep – полная механическая энергия, тогда уравнение (3) можно записать так:                        

         или

Определение: Полная механическая энергия тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих с силами тяжести или упругости,  остается неизменной.

1. Примеры проявления ЗСЭ.
2. Торможение автомобиля. Почему происходит уменьшение кинетической энергии автомобиля, хотя потенциальная энергия относительно Земли не уменьшается?
3. Опыт со стальным шариком, падающим на наковальню. Почему шарик при каждом отскоке поднимается на меньшую высоту?
4. Спуск парашютиста. Почему парашют спускается равномерно или с ускорением меньше расчетного?

Эти примеры иллюстрируют переход количественных изменений (уменьшение Еk) в качественные (увеличение внутренней энергии – выделение теплоты). Это один из законов диалектики.

  ЗСЭ в механике является лишь частным случаем общефизического ЗСЭ. Но этот закон – закон сохранения и превращения энергии, справедлив и в других естественных науках (химии, биологии).

В общем виде он формулируется так:

 Приведем примеры использования этого закона.

1. Образование кристаллов. При образовании  кристаллов выделяется энергия, так как в кристалле частицы устанавливаются в таких положениях, что их  Ep минимальна.

2. Превращение энергии в биосфере. Энергия солнечного излучения превращается в листьях  во внутреннюю энергию органических веществ, которые служат пищей для живых организмов на Земле.

3. Энергетические процессы в живой клетке. Почему на морозе человек притоптывает? Организму надо согреться. При всякой механической работе расходуется запас молекул АТФ. Расход молекул АТФ сопровождается их синтезом, а последний выделением энергии, которая идет на нагревание организма.

Закон сохранения массы вещества. Слайды  8,9.

 (Сообщение учащегося)  1748г. Ломоносов «…все встречающееся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования». Этот закон неразрывно связан с именем М.В.Ломоносова. Закон сохранения массы (ЗСМ) вещества был доказан Ломоносовым экспериментально при обжиге металлов.

  Лавуазье опирался на экспериментальные данные, полученные Блеком и Пристли. Врач Джозеф Блек открыл СО2 , установил существование удельной теплоты плавления, ввел понятие удельной теплоемкости. Он изготовил «лекарство» для лечения и изгнания камней из мочевого пузыря. При прокаливании известняка выделяется какой-то газ («связанный воздух»). Через 15 лет пастор Пристли, живший по соседству с пивоваренным заводом, доказал, что  «связанный воздух» становится вновь пригодным для дыхания благодаря зеленым растениям. Но они не определили количественный состав «связанного воздуха».

    А. Лавуазье сжег с помощью солнечных лучей алмаз, помещенный в изолированный сосуд, и пришел к выводу, что образовавшийся газ состоит из 23,5 части углерода и 76,5 части кислорода (СО2).

Примеры проявления ЗСМ вещества. ( Сообщения учащихся)

Фотосинтез. Сообщение 1.

Слайд 10.  Опыт голландского ученого Гельмонта. За 5 лет посаженная им ветка ивы увеличила свою массу на 65,575кг, а масса земли в горшке уменьшилась всего на 60 г. Почему? Благодаря фотосинтезу происходит накопление живого вещества в биосфере. Расчеты показывают, что за 3 млрд. лет существования жизни на Земле биомасса вследствие жизнедеятельности должна была увеличиться и превысить массу планеты в три раза. Почему же этого не произошло? ( Ответ: биосфера – открытая система).

Круговорот воды в биосфере. Сообщение 2

Слайд 11. Почему масса воды в географической оболочке, несмотря на агрегатные переходы, остается неизменной?

Ответ: Круговорот веществ в биосфере происходит не только вследствие жизнедеятельности организмов. Круговорот воды в биосфере играет существенную роль, а он в свою очередь связан с солнечным излучением. Каждый год в процессе фотосинтеза растения поглощают около 1,6•1021Дж энергии. А ведь энергия приходит не сама по себе, ее приносят фотоны Е = hυ. Используя формулу Е = mс2 можно вычислить, на сколько увеличивается масса биосферы за счет поглощаемой биосферой энергии.

Обмен веществ в организме. Сообщение 3.

Это единство двух процессов ассимиляции и диссимиляции, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования продуктов распада, выделяемых из организма. АДФ+Н3РО4 свет       хлоропласт   АТФ.

Закон сохранения электрического заряда.

    Учитель: Атом электрически нейтрален. Что это означает?

Равенство положительных и отрицательных зарядов. Оно не нарушается до тех пор, пока атом – замкнутая система.

Рассмотрим пример смешивания раствора хлорида кальция и нитрата серебра. При этом образуются новые вещества. Как записать уравнение этой реакции и расставить коэффициенты?

Са2+ + 2Cl- + 2Ag+ + 2NO3- = Са2+ + 2NO3- + 2AgCl

Определение: алгебраическая сумма электрических  зарядов, составляющих замкнутую систему, остается неизменной, при любых процессах происходящих в ней.

III. Подведение итогов изученного материала.

1.С какими фундаментальными законами природы мы познакомились?

2.Почему эти законы считаются фундаментальными?

3.Что объединяет все законы сохранения?

Обобщающий вывод:

IV. Закрепление.

Проверить выборочно результаты работы по заполнению таблицы.

Обсудить вопросы:

1.Какие превращения энергии происходят при колебаниях математического (пружинного) маятника?

2.Как можно объяснить нагревание до высоких t0 КА, спускающихся на Землю?

3.Почему надо чистить зубы? Какой из законов сохранения при этом используется?

Ca5(PO4)3OH + 4H+ = 5Ca2+ + 3HPO2-4 + H2O.

Решить задачу «Мёртвая петля».

V. Домашнее задание: завершить работу с таблицей.

VI. Заключение. 

И снова умрешь, и появишься снова,

Год ли спустя, миллион ли годов –

Частный случай на вечной основе,

Который мгновенно возникнуть готов.

Да, я родился, проживу до ста,

Чтобы затем навсегда умереть.

Но я – электронов случайная горстка,

А эта случайность возможна и впредь.

И.Сельвинский.

    В процессе познания человечество открывает все более общие законы, нет абсолютной уверенности, что и эти общие  законы останутся общими на все времена. Есть только уверенность, что процесс познания тайн природы бесконечен.

Литература:

1. В.Г.Разумовский. Задания для контроля знаний учащихся по физике. М.: Просвещение, 1982.                      

2. В.Р.Ильченко. Перекрестки физики, химии и биологии. М.: Просвещение, 1982.                      

3.сайт fizika-doma.ru                      

Приложение 1

Приложение 2