Марафон знаний

Интегрированный урок-игра: Физика + химия

Игру «Марафон знаний» мы проводим уже несколько лет, каждый год варьируя содержание вопросов, заданий и конкурсов. Основу команд составляют учащиеся старших классов, но обязательно включаются ученики 7–8-го классов, только начавшие изучать химию и физику. Игра способствует формированию стойкого интереса к предметам, сотрудничеству разновозрастных учащихся.
Перед ее проведением требуется определенная работа. Учащиеся формируют команды, выбирают капитанов, на свои средства приобретают призы (чаще всего это домашний торт). Стало традицией выпускать фотогазету по результатам игры. Учителя разрабатывают «маршрутные листы» и задания, готовят необходимое оборудование и размещают его по кабинетам (литературы, географии, биологии, математики и т.д.), а также «валюту» для оценки ответов.

В игре участвуют две команды – «Химики» и «Физики». Сначала проходит представление команд и вручение капитанам «маршрутных листов», где указано, какие кабинеты и в какой последовательности должны посетить команды. Старт команды «Физиков» – из кабинета физики, финиш – в кабинете химии, у «Химиков» – наоборот. В каждом кабинете команды получают задания. За правильный ответ на один вопрос команда получает значок «1 денежка». Цель каждой команды – пройти маршрут как можно быстрее и набрать как можно больше «денежек». По ходу игры в заданиях у «Физиков» число вопросов по физике уменьшается, а по химии – увеличивается, у «Химиков» – наоборот. В кабинетах химии, истории, литературы и географии задания обеих команд совпадают. В последнем кабинете каждая команда по выполнении последнего задания находит приз.
Получив призы, команды собираются и подводят промежуточный итог – по времени и по «денежкам». Команда, проигравшая по времени, расплачивается «денежками» за каждую проигранную минуту. Затем идет подготовка к чаепитию. Чашки, чайные ложки, сахар и пр. команды «выкупают» за заработанные «денежки». В результате, как правило, «денежек» не хватает, тогда объявляется конкурс: изобразить процесс, например, «Физики» – изотермический, а «Химики» – диссоциацию электролитов в растворе. Конкурс проходит очень весело, и в конце концов все садятся пить чай.
Когда чаепитие близко к завершению, неожиданно объявляется еще один конкурс – все участники приглашаются в Морскую школу – зачитывается отрывок из книги Л.Кэрролла «Алиса в Cтране чудес», в котором Грифон и Морской Деликатес рассказывают, как они учились, начиная со слов «...Когда мы были маленькими, – заговорил Деликатес менее патетическим тоном, – мы ходили в школу в море...» и до конца девятой главы (Л.Кэрролл. Алиса в Стране чудес. – М.: Детская литература, 1977, с. 120–124).
Команды должны узнать все слова-перевертыши и изобразить, как идет преподавание одного из предметов в Морской школе, что они и делают с большим мастерством. Пожалуй, это самая веселая часть игры. Хочется отметить, что, хотя этот конкурс из года в год не меняется, выступления команд ни разу не повторялись. Остается только удивляться изобретательности и оригинальности мышления наших детей. После этого подводятся окончательные итоги игры и называется команда-победительница. Ей вручается конверт с надписью «1-й приз», второй команде вручается конверт с надписью «2-й приз». Капитаны вскрывают конверты. В первом лежит записка: «Команде предоставляется почетнейшее право помыть посуду»; во втором: «Команде предоставляется почетное право привести в порядок кабинет». После веселого обсуждения призов чаепитие продолжается, а затем команды выполняют «почетнейшую» и «почетную» обязанности. Игра на этом заканчивается.
В заключение хочется отметить, как прекрасно работают разновозрастные команды, где разная глубина знаний по физике и химии компенсируется энтузиазмом, дружбой и взаимовыручкой.

Маршрут команды «Физики»: кабинеты физики ® математики ® биологии ® географии ® литературы ® истории ® химии.

Маршрут команды «Химики»: кабинеты химии ® истории ® литературы ® биологии ® географии ® математики ® физики.

Задания для «Физиков»

Кабинет физики

1. Если шар, куб и цилиндр одновременно пустить вниз по наклонной плоскости, какой предмет окажется внизу первым? вторым? третьим? (Трением пренебречь.)

Ответ. Первым будет куб, вторым – шар, последним – цилиндр, т.к. шар и цилиндр потратят часть энергии на вращение, что уменьшит их скорость.

2. Как определить массу груза на неравноплечих весах?

Ответ. На одну чашку, например левую, поместите гирю, масса которой заведомо больше массы взвешиваемого тела, а на другую – разновесы, и с их помощью добейтесь возможно более точно равновесия весов. Затем на правую чашу поместите еще и взвешиваемое тело, а разновесы снимайте до тех пор, пока равновесие не будет восстановлено. Масса снятых разновесов равна массе тела.

3. Определите экспериментально плотность подсолнечного масла, используя нить, масштабную линейку и стакан с водой (масло и оборудование выдается).

Ответ. Обвязываем масштабную линейку нитью. Погружаем линейку в сосуд с маслом, удерживая ее нитью в вертикальном положении. Отмечаем по шкале глубину погружения линейки в масло H₁. Погружаем линейку в сосуд с водой и, действуя аналогично, определяем H₂. Записываем условия плавания линейки в масле и в воде:

4. В небольшой прозрачный ящик поместили птичку колибри. Ящик закрыли и поставили на весы. Если птичка сидит на дне ящика, весы показывают 85 г (вес птички – 2 г). Что покажут весы, если птичка взлетит и будет «висеть» внутри ящика? При взлете не учитывайте момента взлета и резких движений птицы.

Ответ. Показания весов не изменятся, т.к. во время парения птичка все время должна отбрасывать воздух вниз, чтобы создавать подъемную силу, равную средней величине своего веса.

Кабинет математики

1. На поверхности воды разлили нефть объемом 1 м³. Какую площадь займет нефтяное пятно, если толщина его

Ответ. 40 км².

2. Сколько водяного пара температурой 100 °С надо ввести в латунный калориметр массой 100 г, в котором находится снег массой 150 г при температуре –20 °С, для того, чтобы весь снег растаял?

Ответ. Задача на применение уравнения теплового баланса:

3.  Учителя любят пить чай во время перемены. Как определять КПД устройства, с помощью которого они нагревают воду?

Ответ.

4. Осторожно! Воздушная среда кабинета математики представляет собой чистый азот. Объем кабинета приблизительно 160 м3. Сколько литров воды необходимо разложить, чтобы воздух в кабинете стал пригоден для дыхания?

Ответ. Объемная доля кислорода в воздухе составляет примерно 21%, следовательно, чтобы можно было дышать, в комнате должно быть 160 • 0,21 = 33,6 м³ кислорода. Из одного моля воды можно получить 0,5 моля кислорода, что составит 11,2 л. Чтобы получить 33,6 м3 кислорода надо соответственно в 3000 раз больше воды, т.е. 3000 молей воды. Молярная масса воды составляет 18 г, значит, масса 3000 молей воды равна 54 000 г, или 54 кг. Зная плотность воды, легко получаем объем – 54 л.

Кабинет биологии

1. Придумайте приспособление для определения емкости своих легких.

Ответ. В сосуд с жидкостью поместите мерный сосуд, аккуратно переверните его вверх дном, чтобы внутрь не попал воздух. Возьмите резиновую трубку одним концом в рот, а другим опустите ее в перевернутый сосуд. Наберите полную грудь воздуха и выдохните через трубку в сосуд. Конечно, здесь о погрешностях говорить не приходится, важна сама идея.

2. Предложите эксперимент для определения полной механической энергии летящей птицы.

Ответ. Из справочника находим массу птицы. Высоту полета оцениваем по высоте деревьев, домов и т.д. Скорость полета оцениваем, зная, каково расстояние между столбами или деревьями, и время прохождения этого расстояния:

Полная энергия птицы: W = W_к + W_п = = M(gH + 0,5 mv²).

3. Определите, в какой колбе находится раствор кислоты, а в какой – раствор щелочи (даны колбы A и B с растворами, а также чай, смородиновый компот, цветы герани, пробирки).

Ответ. И чай, и смородиновый компот, и ярко окрашенные венчики цветов являются биологическими индикаторами. В кислой среде окраска раствора чая меняется, становится заметно светлее, в щелочной – темнее. Смородиновый и вишневый компоты приобретают синюю окраску в щелочной среде. Окраска венчиков цветов также меняется в разных средах; неплохо было бы проверить это конкретно для тех растений, какие есть в кабинете.

4. Как очистить яйцо, не разбивая скорлупы?

Ответ. Если опустить вареное яйцо в раствор кислоты (подойдут некрепкие растворы соляной или уксусной кислот), то скорлупа, состоящая в основном из карбоната кальция, растворится.

Кабинет географии

1. Почему левые берега рек в Северном полушарии подмываются сильнее?

Ответ. За счет действия кориолисовой силы.

2. Представьте, что вы попали на необитаемый остров, над которым периодически проносятся бури. Какие материалы вы мечтали бы найти на потерпевшем крушение судне, чтобы изготовить самодельный прибор для предсказания очередной бури? Как им пользоваться?

Ответ. Для предсказания бури можно изготовить жидкостный манометр (колба, пластиковые бутылки, прозрачная бесцветная трубка). Перед бурей атмосферное давление понижается, поэтому в той части, которая сообщается с атмосферой, уровень воды будет повышаться.

3. В коллекции минералов найдите идентичные по составу минеральной части человеческой кости и зубной эмали.

Ответ. В качестве минеральной составляющей человеческие кости содержат в основном фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂, что соответствует минералу фосфориту (или фосфоритной муке); а минеральная часть зубной эмали – минералу апатиту, состав которого можно упрощенно представить как Ca₃(PO₄)₂ • CaF₂.

4. Приведите не менее трех примеров названий химических элементов, данных им в честь той или иной страны.

Ответ. Ge – германий, Am – америций, Sc – скандий, Po – полоний (в честь Польши), Ru – рутений (в честь России), Ga – галлий (в честь Франции), Tm – тулий (в честь Скандинавии).

Кабинет литературы

1. Один из героев книги Г.Манна поучал другого: «Если снег перестанет, может наступить сильный мороз...» Верно ли это? Объясните.

Ответ. Примета указана верно. Образование кристалликов снега и льда связано с выделением энергии в окружающую среду. Поэтому при снегопаде большого понижения температуры воздуха быть не может.

2. Один из героев романа А.Р.Беляева «Человек-амфибия» рассказывает: «Дельфины на суше гораздо тяжелее, чем в воде. Вообще у вас тут все тяжелее. Даже собственное тело». Прав ли автор романа? Объясните.

Ответ. Сила тяжести, с которой Земля притягивает к себе тела, в воде остается прежней. Но в жидкости действует еще сила Архимеда, направленная вертикально вверх. Поэтому и возникает уменьшение веса.

3. Приведите примеры пословиц, поговорок, где упоминается какой-либо химический элемент, вещество.

Ответ. «Слово – серебро, молчание – золото», «Не все то золото, что блестит» и т.д.

4. Запишите уравнение реакции, описанной в стихотворении:

Подмигнув лиловым глазом,
Сера тут же стала газом.
Газ такой ты встретишь редко,
Он удушливый и едкий.

Ответ. Речь идет о реакции горения серы: S + O₂ = SO₂. Получаемый сернистый газ является ядовитым; это одна из причин кислотных дождей.

Кабинет истории

1. В Лондоне есть Музей восковых фигур, в котором представлены скульптуры выдающихся личностей ХХ столетия, выполненные из воска в натуральную величину. Определите массу воска, необходимую для изготовления вашей фигуры (линейная усадка воска при застывании равна 1,2 раза).

Ответ.  Если считать, что восковая фигура не имеет пустот, то M_в = r_вV. Объем можно оценить так: наливаем в ванну воду, отмечаем ее начальный уровень. Затем погружаем исследуемое тело и отмечаем конечный уровень. Убираем тело и с помощью, например, трехлитровой банки доливаем воду в ванну до отмеченного конечного уровня, считая число «ба- нок» n. Объем тела V = n Ч 3 л (точность, естественно, невелика). Так как линейная усадка воска при застывании 1,2 раза, объем уменьшается в 1,23 раза. Тогда требуемая масса воска M = 1,2³ r_вV = 5,184n (г).

2. Во времена Петра I на Урале был открыт источник минеральной воды. Назвали его «Марциальные воды». Какой химический элемент играет там лечебную роль?

Ответ. Название источника произошло от слова марс, марц. Когда-то знак этой планеты использовали как символ железа. Действующий элемент Марциальных вод – железо.

3. Назовите химические элементы, названные в честь древних героев и богов.

Ответ. V – ванадий (в честь скандинавской богини Ванадис), Ti – титан (в честь титанов – могучих сыновей Урана и Геи), Nb – ниобий (в честь Ниобы – дочери Тантала), Pm – прометий, (в честь легендарного Прометея), Та – тантал (в честь героя греческой мифологии Тантала), Th – торий (в честь древнескандинавского божества Тора).

4. Д.И.Менделееву в знак признания его заслуг были подарены весы, сделанные из двух драгоценных металлов. Что это за металлы? Где мы чаще всего встречаем их сейчас?

Ответ. Весы были изготовлены из золота и алюминия; в XIX в. алюминий был дороже золота.

Кабинет химии

1. Какой спирт – совсем не спирт?

Ответ. Нашатырный спирт - десятипроцентный раствор аммиака в воде – и к органическим веществам – спиртам – никакого отношения не имеет.

2. Растительные жиры не годятся для жарки, особенно многократной. Почему?

Ответ. Жидкие жиры – растительные масла – содержат остатки непредельных карбоновых кислот. Как и другие реакции, реакции окисления и присоединения по двойным связям протекают значительно быстрее при повышенной температуре (при жарении), а вот продукты, получающиеся при этом, опасны для здоровья человека.

3. Зажгите свечу без помощи спичек. Сложите номера на склянках, содержащих используемые реактивы, – это будет номер парты первого ряда, где лежит следующее задание. (Учащимся предоставляется необходимое оборудование а также реактивы – серная концентрированная кислота, кристаллический перманганат калия, этиловый спирт, разбавленная серная кислота, кристаллический хлорид калия и т.д. Лишние реактивы включены, чтобы был поиск. Все склянки пронумерованы.)

Ответ. Несколько кристаллов KMnO₄ смочить концентрированной серной кислотой, полученную массу нанести с помощью стеклянной палочки на фитиль свечи. Если не загорится, аккуратно, с помощью пипетки, капнуть буквально одну капельку спирта (работать аккуратно!).

4. Какую воду можно замутить своим дыханием? Номер склянки с реактивом покажет вам номер шкафа, где хранится пятое задание. (Учащимся предоставляются склянки с надписями «Дистиллированная вода», «Жесткая вода», «Известковая вода», стаканчик и одна трубочка для коктейля, чтобы они могли доказать экспериментально свою правоту. В действительности никакого пятого задания нет, в указанном шкафу находится торт, который команда честно заработала.)

Ответ. Своим дыханием можно замутить известковую воду, т.к. в результате взаимодействия гидроксида кальция и углекислого газа образуется осадок карбоната кальция.

Задания для «Химиков»

Кабинет химии (задания такие же, как у «Физиков»)

Кабинет биологии

1-е, 2-е и 3-е задания такие же, как у «Физиков».

4. Почему мякоть разрезанного яблока быстро желтеет, а затем коричневеет?

Ответ. В яблоках много железа, которое на воздухе быстро окисляется.

Кабинет математики

1. Подберите геометрическую фигуру, соответствующую геометрической форме молекулы аммиака. А теперь представьте, что аммиак проявил свои основные свойства и геометрическая форма частицы изменилась. Как она называется? Подберите соответствующую геометрическую фигуру. (Учащимся предлагаются самые разные объемные геометрические фигуры, среди которых должны быть треугольная пирамида с углом при вершине приблизительно 107° и тетраэдр.)

Ответ. Молекула аммиака имеет форму треугольной пирамиды, в основании которой находятся три атома водорода, а в вершине – атом азота. Проявляя основные свойства, молекула аммиака присоединяет протон, превращаясь в ион аммония, геометрическая форма которого – правильная треугольная пирамида, тетраэдр, в геометрическом центре которого находится атом азота, а в вершинах – атомы водорода.

2. Как определить объем своего тела, используя трехлитровую банку?

Ответ. (См. ответ на задачу для «Физиков» в кабинете истории.)

3. Возьмите два прямоугольных листа бумаги, положите их параллельно друг другу на расстоянии 5–6 см и подуйте между ними. Объясните наблюдаемое.

Ответ. Между листами давление становится меньше по сравнению с давлением снаружи.

4. Прыгать «перекатом» легче, чем спиной вниз. Почему?

Ответ.  В прыжке «перекатом» спортсмен не так высоко поднимает тело над планкой, как в прыжке спиной вниз.

Кабинет физики

1. Как определить плотность тела, имея динамометр, банку с водой и нитки? Следующее задание вы найдете в парте, на крышке которой указан правильный ответ.

Ответ. Плотность тела определяется по формуле . Массу определяем как где P_возд – вес тела в воздухе; определяем с помощью динамометра. Для определения объема тела находим с помощью динамометра архимедову силу F_А = P_возд – P_вод, и отсюда

Окончательно получаем:

2. Предложите способ оценки массы своего тела без использования весов.

Ответ. (См. ответ № 1 в кабинете истории.)

3. Как в условиях невесомости перелить воду из одного сосуда в другой?

Ответ. При помощи давления воздуха или другого газа из закрытого сосуда по шлангу в другой закрытый сосуд.

4. Определите удельную теплоту растворения поваренной соли, имея калориметр, поваренную соль, весы с разновесами, воду, колбу и термометр.

Ответ. Используем уравнения теплового баланса. Поваренная соль растворяется за счет получаемого от воды тепла, поэтому

5. Последнее задание вы найдете в шкафу лаборантской, на дверце которого указан правильный ответ. (Там тоже лежит торт.)

Проводя игру в течение ряда лет, мы накопили «банк» вопросов и заданий:

1. Почему ангидрит – не ангидрид?
2. Как поместить вареное куриное яйцо в молочную бутылку?
3. Назовите вещество x по реакции x + CO₂ = y + O₂, которая используется для регенерации воздуха в замкнутом помещении и по схеме напоминает фотосинтез.
4. Каустическая сода, питьевая сода, кристаллическая сода, кальцинированная сода – какая из них не соль?
5. Где быстрее потемнеет серебро - если его хранить на кухне или в комнате?
6. В 1912 г. экспедиция Скотта к Южному полюсу погибла. Что за «чума» была причиной гибели?
7. Много ли в фосгене фосфора?
8. Что такое «термит» с точки зрения биолога и химика?
9. Почему животные в холодную погоду сворачиваются в «клубок»?
10. Как оценить массу коровы по копытному следу на мягком грунте? Оборудование предложите сами.
11. Оцените массу пружины динамометра, используя сам динамометр.
12. Предложите метод определения скорости теплового движения молекул при –274 °С.
13. Ожидаемый ток в электрической цепи 10 А. У вас имеется амперметр с пределом 250 мА. Можно ли его использовать для данных измерений?
14. Определите плотность гречневой крупы, используя самодельные весы и бутылочку из-под детского питания.
15. Как взвесить небольшой предмет, например ластик или кусочек мела, используя мензурку, кусок пластилина и стакан с водой?
16. Как по пятну на стене, оставленному мячом, количественно оценить силу удара футболиста?
17. Вам предстоит поставить медицинские банки больному. Как это сделать, не используя пламя?
18. Придумайте устройство, сигнализирующее о наводнении. Оборудование предложите сами.
19. Рассчитайте давление, которое оказывает на поверхность стола трехлитровая банка. Оборудование предложите сами.

Ответы

1. Ангидридами называют кислотные оксиды, например, ангидридом серной кислоты является оксид SO₃, азотной – оксид N₂O₅ и т.д. Ангидрит – это природный минерал, состоящий из безводного сульфата кальция – CaSO₄. Таким образом, эти вещества относятся к разным классам неорганических соединений – оксидам и солям.

2. В пустую бутылку бросаем горящую бумагу, а на горлышко ставим очищенное от скорлупы яйцо.

3. x – это перекисное соединение, например перекись натрия. Уравнение тогда выглядит так:

2 Na₂O₂ + 2 CO₂ = 2 Na₂CO₃ + O₂.

4. Каустическая сода – это старое эмпирическое техническое название гидроксида натрия, вещества класса оснований (NaOH); питьевая сода – это кислая соль NaHCO₃; кристаллическая сода – это кристаллогидрат Na₂CO₃ • 10 H₂O; кальцинированная сода – это безводный карбонат кальция Na₂CO₃.

5. При хранении на кухне серебряные изделия темнеют гораздо быстрее из-за образования сульфидных соединений и хлорида серебра (так называемое роговое серебро). Способствует образованию этих соединений повышенная влажность воздуха, наличие в воздухе ионов, например Cl^– и S^2–.

6. Экспедиция погибла потому, что потеряла топливо, которое хранилось в запаянных оловом металлических контейнерах. Известно, что при температуре ниже 13 °С олово переходит из обычной серебристо-белой модификации в порошкообразное серое олово. Процесс этот передается при соприкосновении «здоровых» предметов с «больными», поэтому очень быстро распространяется, как «чума».

7. Формула фосгена COCl₂, т.е. фосфора там нет вообще.

8. Термитами называют один из видов муравьев, способных питаться древесиной. С точки зрения химии термитом называют смесь порошкообразного алюминия с оксидами некоторых металлов, например железа Fe₂O₃ или хрома Cr₂O₃. Используется эта смесь для получения металлов.

9. Для того чтобы было теплее: когда они сворачиваются, то уменьшают площадь поверхности, излучающей энергию.

10. Линейка, лист бумаги в клетку. Давление коровы находим по формуле площадь копытного следа экстраполируем площадью круга радиусом R. Определяем свое давление: если S₀ – площадь одной стопы, то S₀ определяем с помощью листа бумаги в клетку. Глубина погружения тела в грунт пропорциональна давлению:

11. Держим динамометр за шкалу. Под тяжестью пружины указатель уйдет вниз и покажет вес пружины P = Mg. Тогда

12. Скорость равна нулю, т.к. при –273,15 °С прекращается тепловое движение молекул.

13. Можно, если параллельно к амперметру подключить соответствующий шунт, сопротивление которого рассчитать не составляет труда.

14. С помощью весов определяем массу N гречневых крупинок, объем определяем с помощью бутылочки для детского питания, на которой имеются деления в миллилитрах, а плотность рассчитываем по формуле

15. Взять мензурку, с помощью пластилина закрыть ее, затем опустить в стакан с водой и заметить, на сколько делений она опустится. Потом положить на мензурку ластик. Она погрузится в воду глубже. Если цена деления мензурки 1 мл, то масса предмета в граммах равна числу делений, на которые мензурка погрузилась в воду относительно нулевой отметки.

16. Будем считать, что удар произведен с близкого расстояния, а сила удара футболиста соответствует силе давления мяча на стену. Возьмем длинную трубку, один конец которой плотно закрыт, и, подложив легкую картонку, установим ее на мяч. Под мяч положим листы писчей и копировальной бумаги. Будем наливать в трубку воду до тех пор, пока отпечаток на копирке не будет таким же, как отпечаток на стене. Давление водяного столба в этом случае будет равно давлению мяча, поэтому [Это сколько же воды надо налить? - Ред.]

17. Нагреть воздух внутри медицинской банки можно с помощью кипящего чайника.

18. Когда вода поднимается настолько, что проводящий стержень соприкасается c электрическим контактом, электрическая цепь замыкается – и лампа вспыхивает.

19. Оборудование: лист бумаги, карандаш, динамометр, нить, линейка. Давление, оказываемое банкой, можно рассчитать по формуле Вес банки P находим с помощью нити и динамометра. Площадь основания банки pD²/4 находим, обведя основание карандашом.