Текст задачи: Как известно, водород – это бесцветный очень лёгкий газ. Однако большое будущее учёные пророчат металлическому водороду, который представляет собой твёрдое тело, обладающее высокой электропроводностью и другими свойствами металла. Каким образом возможно получение металлического водорода и в каких областях он нашёл бы применение?
а) Выделите ключевые слова для информационного поиска.
б) Найдите необходимую информацию.
в) Обсудите и проанализируйте собранную информацию.
г) Сделайте выводы.
д) Сравните ваши выводы с выводами известных людей.
Возможные информационные источники.
Книги:
(список полных библиографических описаний)
Компакт-диски:
Учебное электронное издание «Химия (8-11 класс). Виртуальная лаборатория», 2004.
Web-сайты:
(список URL)
Культурные образцы
Источник rg/ri/ps/
Металлический водород пытались (и продолжают пытаться) получить разными способами, подвергая обыкновенный твёрдый водород статическим или динамическим нагрузкам. Первое сообщение о возможном успехе при решении этой важной и сложной проблемы было опубликовано в феврале 1975 г. группой учёных Института физики высоких давлений АН СССР (во главе с академиком Л.Ф. Верещагиным). Осадив на охлаждённые до 4,2°К алмазные наковальни тонкий слой водорода и воздействовав на него очень высоким давлением, наблюдали необычное явление. Электрическое сопротивление водорода уменьшилось в миллионы раз – он перешёл в металлическое состояние. Это произошло под статическим давлением порядка 3 млн. атм. Когда же давление начали снижать, то уже примерно при троекратном уменьшении давления (1 млн. атм.) происходил обратный переход водорода из металлического состояния в обычное, диэлектрическое. Впрочем, этот факт исследователи не воспринимали как фатальную неудачу, означающую невозможность существования металлического водорода при нормальном давлении. Они надеются, что металлический водород как-то удастся «закалить» и со временем сделать доступным для учёных разных специальностей. И для техники, видимо, тоже.
С металлическим водородом связывают, по меньшей мере, три надежды: на термоядерную энергию, на передачу энергии почти без потерь (в сверхпроводящих устройствах при температуре жидкого водорода, а не жидкого гелия) и – как на горючее, безвредное для окружающей среды. Компактный металлический водород должен быть наиболее удобным водородом-топливом. Кроме того, есть теоретические предпосылки, согласно которым металлический водород может существовать и при обычной температуре, оставаясь при этом сверхпроводником.
Методический комментарий
При решении данной задачи учащиеся получают знания не только о металлическом водороде, но и о том, какими способами его пытались получить, учёные какой страны впервые сообщили об этом, и где можно использовать металлический водород.
Ключевыми словами являются «металлический водород», «использование металлического водорода», «получение металлического водорода».
Для решения данной задачи учащиеся должны ответить на следующие вопросы: при каких условиях возможно получение металлического водорода, какую роль играет давление в этом процессе, кто впервые сообщил о получении металлического водорода, в каких областях его можно было бы использовать.
После решения задачи учащиеся формулируют вывод о том, что металлический водород пытаются получить из обыкновенного твёрдого водорода, подвергая его статическим и динамическим нагрузкам. Впервые об этом было сообщено в феврале 1975 г. группой учёных Института физики высоких давлений АН СССР (во главе с академиком Л.Ф. Верещагиным). Использовать такой водород можно для получения термоядерной энергии, в качестве экологически чистого топлива и для передачи энергии без потерь.
Талантливый человек талантлив во многом?
Гаврилюк Л. В.
учитель химии
МОУ СОШ № 45, г. Калининград
Имя задачи: Талантливый человек талантлив во многом?
Автор: Гаврилюк Людмила Владимировна, учитель химии МОУ СОШ № 45 г. Калининграда
Предмет: химия
Класс: 8 (элективный курс)
Тема: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева.
Профиль: общеобразовательный
Уровень: минимальный
Текст задачи: Многие учёные-химики, кроме фундаментальных работ в области теоретической химии, занимались и прикладными науками, имели разнообразные увлечения. Так, Д.И.Менделеева называли «чемоданных дел мастер», А.П.Бородин написал оперу «Князь Игорь», А.М.Бутлеров прекрасно рисовал. Можно ли сказать, что Д.И.Менделеев, А.П.Бородин, А.М.Бутлеров – исключение? (на примере жизни и деятельности Д.И.Менделеева рассмотреть вклад Менделеева в развитие нефтехимии, добычи каменного угля, сельского хозяйства, воздухоплавания, образования и т.д.)
а) выделите ключевые слова для информационного поиска
б) найдите и соберите необходимую информацию
в) обсудите и проанализируйте собранную информацию
г) сделайте выводы
д) сравните свои выводы с выводами специалистов
е) поделитесь собранной информацией с учениками вашего класса
Возможные источники информации:
Книги:
Соловьёв Ю.И., Трифонов Д.Н., Шамин А.Н., История химии, М., «Просвещение», 1984
Макареня А.А., Рысев Ю.В., «Д.И.Менделеев», М., «Просвещение»
Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю., Книга по химии для домашнего чтения, М., «Химия» 1994
«Д.И.Менделеев в воспоминаниях современников», М., «Атомиздат»
Менделеевское учение о периодическом изменнии свойств химических элементов является основой современных представлений о строении и свойствах веществ. Это учение включает два центральных понятия: о законе периодичности и о периодической системе химических элементов. Система служит своеобразным графическим выражением периодического закона, который в отличие от многих других фундаментальных законов природы не может быть выражен в виде какого-либо математического уравнения или формулы.
Одной из важных сторон научной деятельности Д.И.Менделеева является создание учения о растворах. Его первое крупное исследование по растворам – докторская диссертация «О соединении спирта с водой» (1865г.) – содержало результаты наблюдений о взаимосвязи плотности и концентрации растворов спирта в воде. Итог был предоставлен в опубликованном в 1887г. классическом труде «Исследование водных растворов по удельному весу». Научные интересы влекли Менделеева в мир «чистой» науки, однако не менее сильно было и желание применить результаты научных исследований к делу промышленного развития России. Д.И.Менделеев осуществляет социальные работы по анализу нефти (с этой целью он посещает США в 1876г.), разрабатывает вопросы происхождения нефти, возможности её химической и механической обработки, для чего ставит опыты как на заводах (Кавказ, Поволжье), так и в химических лабораториях.
Многочисленные работы Д.И.Менделеева, посвящённые сельскому хозяйству, касались трёх основных направлений: а) определение роли химии в повышении урожайности, б) разработка научных основ земледелия, в) изучение экономики сельского хозяйства. Интенсивно занимаясь проблемами организации науки, промышленности и сельского хозяйства, Д.И.Менделеев уделял большое внимание проблемам образования. Имея педагогическое образование и большой опыт работы в средних и высших учебных заведениях, лишь в конце жизни Менделеев занялся теоретической разработкой педагогических проблем, неоднократно подчёркивая, что направление русского образования должно быть жизненным и реальным. За этими словами скрывались важные и сложные теоретические и методические проблемы.
Знаменательное событие произошло 7 августа 1887г., когда Д.И.Менделеев для наблюдения солнечного затмения совершил самостоятельный полёт на воздушном шаре «Русский», заполненным водородом. Дмитрий Иванович был не только инициатором полёта, но и пилотом и исследователем одновременно.
ФИЗИКА
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
Харина Т. В.
учитель физики
МОУ СОШ № 45, г. Калининград
Имя задачи: Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
Автор: Харина Татьяна Владимировна, учитель физики МОУ СОШ № 45 г. Калининград.
Предмет: физика
Класс: 11
Профиль: общеобразовательный
Уровень: средний
Текст задачи:
Благодаря изобретению устройств для регистрации и изучения столкновений, взаимных превращений ядер и элементарных частиц, физика атомного ядра получила возможность стремительно развиваться. В основе действия таких приборов лежит идея использования макроскопической системы, находящейся в метастабильном состоянии, которая под действием заряженной частицы переходит в более устойчивое состояние, меняя при этом свои свойства так, что это изменение можно зарегистрировать.
В каких экспериментальных методах регистрации заряженных частиц используется эта идея? Каковы основные конструктивные особенности, принцип действия и возможности данных регистрирующих устройств?
а) выделите ключевые слова для информационного поиска.
б) найдите и соберите необходимую информацию.
в) обсудите и проанализируйте собранную информацию.
г) сделайте выводы.
д) сравните свои выводы с предложенным образцом.
Возможные информационные источники:
Книги:
Пинский А.А «Квантовая физика» М. Просвещение. 1990;
Родина Н.А «Физика атомного ядра» М. 1976;
Ландсберг Г.С Элементарный учебник физики ч.3, М. Наука. 1975;
Жданов Л.С Курс физики ч.2, М. Наука. 1979;
Интернет-ресурсы:
o.com/home_electronics
man.ru/sprav/1/geiger.php
nfo.ru
.ru
svet.ru
osh.ru/slovo.
dia.
is.ru
sinp.msu.ru/experiment/detectors/wchamber.htm
Культурный образец:
О.Ф.Кабардин «Физика» - учебное пособие для учащихся, М. Просвещение,1985
При помощи каких приборов и как физики получают информацию о ядре и элементарных частицах?
Приборы, с помощью которых регистрируются элементарные частицы и ядра, называются детекторами (обнаружителями). Условно их можно разделить на два типа: счетчики элементарных частиц и трековые регистраторы (трек – след частицы).
Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили счетчики, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Конструкция счетчика: корпусом служит цилиндрическая трубка, по оси которой натянута тонкая металлическая нить. Корпус трубки и нить разделены изолятором. Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов (например аргоном с примесью метилового спирта, при Р =0,1 атмосферного). Действие счетчика основано на ударной ионизации (заряженная частица, пролетая в газе, отрывает от атомов электроны, образуя положительные ионы и свободные электроны). Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение (нить служит анодом). Пролетающая через рабочий объем быстрая заряженная частица на своем пути производит ударную ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы к катоду. Напряженность поля вблизи анода настолько велика, что электроны при приближении к нему между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации. В счетчике возникает кратковременный коронный разряд. С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком. Данные счетчики применяются в основном для регистрации электронов и гамма-квантов. Регистрация гамма-квантов основана на явлении фотоэффекта.
2. Сцинтилляционные счетчики(спинтарископы).
Приборы, применяемые для регистрации альфа-частиц. Конструкция: основными элементами являются экран, покрытый слоем сульфида цинка и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня против середины экрана (на 1-2 мм). При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида цинка возникает вспышка света, которая регистрируется при наблюдении через лупу. Сцинтилляция – процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки (разновидность явления люминесценции). В современных сцинтилляционных счетчиках регистрация световых вспышек производится с помощью фотоэлементов, которые преобразуют энергию световой вспышки в кристалле в энергию импульса электрического тока. Импульсы тока на выходе фотоэлемента усиливаются и затем регистрируются.
3. Камера Вильсона.
Прибор, позволяющий видеть и фотографировать следы пролетающих заряженных частиц.
Конструкция камеры: цилиндр, верхняя часть которого сделана из прозрачного материала. Внутри находится поршень, способный опускаться в нужный момент. В рабочем объеме камеры – смесь (воздух с насыщенными парами спирта). При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется и охлаждается, пар переходит в состояние пересыщения. Таким образом, пар находится в неустойчивом состоянии (легко конденсируется). Если в этот момент в камере пролетает заряженная частица, оставляющая на своем пути (вследствие ионизации молекул воздуха) цепочку ионов, то на ионах происходит конденсация пара в капли жидкости. Эти капли образуют видимый след пролетевшей частицы, называемый треком. При помощи камеры Вильсона можно изучать любые частицы, делать определенные заключения о природе частицы, величине ее массы, заряда, энергии, скорости движения. Для выполнения более точных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру помещают в постоянное магнитное поле.
4. Пузырьковая камера.
Принцип действия: в камере находится жидкость при температуре, близкой к температуре кипения под высоким давлением. Резким перемещением поршня давление в жидкости уменьшается до атмосферного, жидкость оказывается перегретой, т.е в неустойчивом состоянии. Быстрые заряженные частицы, проходя через рабочий объем камеры, ионизируют на своем пути атомы жидкости. Эта энергия приводит к повышению температуры жидкости в микроскопическом объеме вблизи каждого иона, ее вскипанию и образованию пузырьков пара. Цепочка пузырьков пара, возникающих вдоль пути
движения быстрой заряженной частицы через жидкость, образует след частицы – трек. Для наполнения пузырьковых камер используют жидкий водород, пропан, ксенон и др. жидкости. Плотность жидкости значительно выше плотности газа, поэтому в ней можно более эффективно проводить изучение взаимодействий заряженных частиц с атомными ядрами.
5. Метод фотоэмульсий.
Сущность метода заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации заряженных частиц. Пролетающая сквозь фотоэмульсию быстрая заряженная частица действует на зерна бромистого серебра и создает вдоль своего пути движения центры скрытого изображения. После проявления фотопластинки наблюдается трек (изображение следов первичной частицы и всех заряженных частиц, возникающих в результате ядерных взаимодействий первичной частицы). Преимущество метода в том, что с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые могут тщательно изучаться. Дальнейшее усовершенствование фотометода привело к созданию эмульсий с различной чувствительностью для регистрации частиц с очень большой ионизирующей способностью (до 100000 пар ионов на 1см пути) и очень маленькой (50 ионных пар на 1см). Так как фотоэмульсии имеют большую плотность, то в них регистрируются преимущественно частицы с большой энергией.
Методический комментарий
Цель – рассмотреть, как физики получают объективную информацию о таких объектах, как ядро и элементарные частицы, какие приборы и методы исследования позволяют это сделать.
В начале работы обобщаются знания учащихся об опытах Резерфорда, приведших к выводу о ядерной структуре атома. Обращается внимание на тот факт, что все экспериментальные методы ядерной физики, по существу, развитие и совершенствование метода Резерфорда: вещество облучается потоком частиц с большой кинетической энергией так, чтобы они проникли внутрь атома и осуществили взаимодействие с ядром. Рассеянные частицы регистрируются, и по характеру их взаимодействия судят о свойствах ядра. Если ядро радиоактивно, то регистрируются продукты распада ядра.
Так как современных методов исследования достаточно много, имеет смысл остановиться на тех, что традиционно изучаются в школе. Можно порекомендовать направляемый учителем выбор ключевых слов для информационного поиска.
Для учащихся продвинутого уровня имеется возможность ознакомиться с другими существующими методами исследования: пропорциональный счетчик, полупроводниковый детектор, ионизационная камера, искровая камера, стриммерная камера, дрейфовая камера, пропорциональная камера, калориметры (информация sinp.msu.ru/experiment/index.html#det).
Невероятное событие в атомном мире
Харина Т. В.
учитель физики
МОУ СОШ № 45, г. Калининград
Имя задачи: Невероятное событие в атомном мире.
Автор: Харина Татьяна Владимировна; г. Калининград, МОУ СОШ №45; учитель физики
Метапредметная область или предмет: физика
Класс: 9
Тема: Строение атома и атомного ядра
Профиль: общеобразовательный
Уровень: общий
Текст задачи: Эрнест Резерфорд, проводя серию опытов по изучению природы альфа-частиц, получил результаты совершенно неожиданные. Поручив своим помощникам Гансу Гейгеру и Эрнесту Марсдену изучить картину рассеивания альфа-частиц и проанализировав полученную информацию, Резерфорд воскликнул: «Это самое невероятное событие, которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись от неё, пошёл бы в вас…». О каком невероятном событии идет речь, и что из этого следует?
а) Выделите ключевые слова для информационного поиска.
б) Найдите необходимую информацию.
в) Обсудите и проанализируйте собранную информацию.
г) Сделайте выводы.
д) Сравните ваши выводы с выводами известных людей.
Возможные информационные источники.
Книги:
Дудков В.М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1983.
Пинский А.А. Методика преподавания физики в средней школе (квантовая физика). Пособие для учителя. М.: Просвещение, 1989.
Павленко Ю.Г. Начала физики. Учебник. М.: Издательство «Экзамен», 2007.
Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч 2. М.: Просвещение,2000.