Т.Ю.КУЗЬМИЧЁВА,
гимназия № 38, г. Дзержинск, Нижегородская обл.

tyuk2001@mail.ru

Физика Земли

Апробация программы элективного курса
(естественнонаучный профиль, 34 ч).
10-й или 11-й класс

Итоги апробации Такого интересного курса, интегрирующего физику, астрономию, математику, географию, биологию, мне ещё не доводилось вести. Идея его создания уже давно витала в воздухе благодаря многолетнему опыту преподавания физики с астрономической компонентой. А опыт показывал, что учащиеся в школе получают на уроках физики знания об общих законах нашей Вселенной, на уроках астрономии – о космических телах, теориях их происхождения и путях эволюции, а о самой планете Земля, нашей уникальной «колыбели жизни», целостного представления не имеют. Из экспертного заключения № 82 от 2005 г. Нижегородского института развития образования

Пояснительная записка

Курс «Физика Земли» построен с опорой на знания и умения учащихся, приобретённые на уроках физики, математики, географии, химии, биологии, природоведения и интегрирован с астрономией, математикой и другими естественными дисциплинами. Сейчас учащиеся получают отрывочные, краткие, несистематизированные сведения о планете, на которой они живут. Используя знания по основным школьным естественнонаучным предметам, ребята создадут стройную картину сведений о Земле, научатся строго рассчитывать и объяснять её физические характеристики, глобальные явления на Земле и ближайших к ней небесных телах. Курс даст возможность более глубоко удовлетворить познавательные интересы к естественнонаучной картине мира, расширить и углубить знания о родной планете, развить интеллектуальные и творческие способности.

Элективный курс «Физика Земли» предназначен для учащихся 10-х или 11-х классов, прежде всего профильного естественно-математического направления. Временной объём курса 34 ч, но может быть расширен до 68 ч, если позволяют условия.

В состав УМК «Физика Земли» входит программа курса, учебные разработки занятий, дополнительная литература для учителя и учащихся. Автор готовит учебное пособие «Физика Земли», где будут приведены теоретические сведения, контрольные вопросы, практические задачи и творческие задания, дополнительный материал из научной литературы, ссылки на сайты в интернете, методическое пособие для учителя.

Концепция. Предусмотрена деятельность учащихся не только по теоретическому научному познанию планеты Земля, решению задач, выполнению творческих заданий и исследовательских работ, но и по реализации компетентностного подхода в естественнонаучном и экологическом образовании старшеклассников. Полученные знания и умения старшеклассники могут проявить и в технической, и в гуманитарной областях своей будущей деятельности.

Цель курса: сформировать цельную единую картину научных сведений о планете Земля, удовлетворяя индивидуальные познавательные интересы учащихся в процессе их познавательной и творческой деятельности.

Задачи курса

1. Обучить школьников основным физико-математическим методам изучения небесных объектов.

2. Раскрыть и доказать идеи связи Земли с космосом.

3. Помочь в становлении собственной, соответствующей достижениям современной науки картины мира с учётом приобретённых знаний и умений в курсе «Физика Земли». Эта картина мира оказала бы помощь в создании правильного экологического мышления.

4. Создать условия для творческой самореализации и творческого саморазвития школьников.

5. Помочь в освоении курса физики для поступления в вуз через прикладное применение физики.

Формы занятий: лекционно-семинарские, практические, наблюдения дневные и вечерние; защита творческих, исследовательских работ.

Способы оценивания достижений учащихся: контроль теоретических знаний; оценка полноты и правильности выполнения практических заданий; защита творческих, исследовательских заданий и проектов.

ПРОГРАММА*

I. Введение (5 ч)

Образование звёзд и звёздных систем. Образование звёзд I и II поколений. Физические характеристики звезды Солнце. Типы и эволюция звёзд. Образование планетной системы.

Практические задания:

1. Оценка массы и размеров протозвезды.

2. Оценка физических характеристик Солнца.

3. Работа по диаграмме Герцшпрунга–Рессела.

4. Применение закона сохранения импульса и момента импульса для описания динамики вращающейся системы.

II. Образование планеты Земля (5 ч)

Формирование земного шара, структура Земли, сферы Земли.

Оценка размеров и формы Земли. Оценка массы и плотности земного шара.

Поверхность Земли, методы определения высоты гор на планетах земной группы.

Практические задания:

1. Методы определения радиуса Земли.

2. Определение массы Земли.

3. Оценка формы Земли гравитационным методом.

4. Методы определения высоты гор на планетах.

5. Оценка массы и средней высоты атмосферы Земли.

6. Оценка массы и объёма воды на земном шаре.

7. Оценка эффекта таяния льдов на Земле.

III. Кинематика движения Земли (7 ч)

Суточное вращение Земли. Опыт Фуко. Заход и восход светил. Рефракция.

Годичное движение Земли. Звёздное небо. Созвездия. Эклиптика. Наклон оси вращения Земли к плоскости эклиптики. Движение Солнца по небесной сфере Земли. Экваториальные небесные координаты.

Законы Кеплера. Следствия из законов Кеплера.

Практические задания:

1. Доказательства суточного вращения Земли с помощью маятника Фуко.

2. Наблюдения суточного вращения небесной сферы.

3. Оценка эффекта рефракции Солнца.

4. Доказательство годичного движения Земли методом годичного параллакса звёзд.

5. Изучение звёздного неба. Созвездия разных времён года как доказательства годичного вращения Земли.

6. Применение законов Кеплера для оценки физических характеристик движения планет и их спутников.

IV. Динамика движения Земли (4 ч)

Закон всемирного тяготения. Космические скорости. Точки Лагранжа (точки «равновесия» гравитационных сил). Колебания земной оси. Прецессия.

Практические задания:

1. Расчёт космической скорости относительно Земли и Солнца.

2. Описание поведения вещества в точках «равновесия» гравитационных сил.

3. Изменения видимости звёздного неба с учётом прецессии.

V. Система Земля–Луна (5 ч)

Определение расстояния от Земли до Луны. Движение, периоды обращения и фазы Луны. Солнечные и лунные затмения. Приливы. Роль Луны в прецессии земной оси и нутации.

Практические задания:

1. Наблюдения смены лунных фаз.

2. Оценка приливных эффектов на Земле.

3. Программа наблюдений солнечных и лунных затмений.

VI. Магнитное и электрическое поля Земли (3 ч)

Магнитосфера Земли. Инверсии магнитного поля, «блуждание» магнитного поля. Радиационные пояса Земли. Магнитные бури и причины их возникновения.

Ионосфера Земли. Электрические токи в сферах Земли (вулканы, землетрясения, ураганы, грозы).

Практические задания:

Оценка и изучение магнитного поля Земли.

VII. Взаимодействие с космическими телами (3 ч)

Метеорные тела, кометы, астероиды. Роль внешних космических тел в эволюции поверхности и массы Земли.

Практические задания:

1. Оценка мощности удара метеороида.

2. Физические характеристики метеоритных кратеров и методы их обнаружения.

3. Анализ орбит астероидных тел.

4. Способы космической безопасности Земли.

VIII. Особенности планеты Земля (1 ч)

Физика воды на Земле (особые свойства молекул воды).

Физика молекул жизни (о кристаллической структуре ДНК).

Итоговая контрольная работа по курсу (1 ч)

Экскурсии (во внеурочное время): планетарий, обсерватория, лаборатории НИИ.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИТОГИ

Как показала практика, данная программа и активные формы работы с учащимися (большой практикум по решению задач, выполнение домашних индивидуальных контрольных работ, работа над проектами, защита проектов с презентацией, участие в научных конференциях и др.) обеспечили выполнение поставленной цели: действительно у школьников сформировались представления о нашей планете в виде единой системы знаний, активно развивались исследовательские навыки и умение работать самостоятельно над выбранной темой проекта. На уроках у 10-классников проявлялась высокая познавательная активность. Были моменты, когда глаза ребят горели тем самым жгучим интересом, во имя которых мы, учителя, и работаем в школе!

Что же в этом курсе так увлекает ребят?

I. «Введение». Программа составлена так, что дети сразу же, на первых уроках, получают современные представления о строении и эволюции всей нашей Вселенной. Элементарная теория горячей расширяющейся Вселенной, оказывается, вполне им доступна даже в начале учебного года. Ознакомившись с современными воззрениями о возникновении Вселенной, ребята лучше воспринимают взгляды учёных на образование звёзд, звёздных систем и их эволюцию. Используя знания элементов механики и тепловых явлений, полученные в 7–9-м классах, учащиеся вполне осознанно вместе с учителем оценивают критические массы и размеры протозвезды, физические параметры Солнца, учатся работать с диаграммой Герцшпрунга–Рессела.

Именно здесь учащиеся получают информацию о конечном пути эволюции звезды после «выгорания» в ней водорода, т.е. прекращения термоядерных реакций.

Поэтому ребята с большим интересом решают задачи типа:

– До какого размера пришлось бы сжать земной шар, чтобы его плотность стала такой же, как плотность белого карлика? (Средняя плотность земного шара 5000 кг/м³, средняя плотность белого карлика 100 000 000 кг/м³.)

– С какой скоростью вращается вещество на экваторе пульсара, если период его вращения 0,5 с, а средний радиус 10 км?

Используя астрономические таблицы со сведениями о планетах Солнечной системы, школьники учатся сравнивать физические характеристики планет земной группы и планет-гигантов.

Общее

– одинаковый возраст всех тел в Солнечной системе (4,5 млрд лет);

– расположение орбит приблизительно в одной плоскости (плоскости эклиптики);

– совпадение направления осевого вращения планеты с направлением орбитального движения;

– уменьшение скорости движения всех тел Солнечной системы с удалением от центрального тела (Солнца).

Различия

Различие и общность этих характеристик достаточно неплохо объясняется современной космогонической теорией происхождения Солнечной системы (начиная от О.Ю.Шмидта), в чём учащиеся и убеждаются на уроке.

II. «Образование планеты Земля». При изучении этой темы учащиеся были удивлены тем, что массу Земли можно измерить несколькими способами: гравиметрическим (М = gR²/G); с помощью крутильных весов (метод Кавендиша); по движению Луны (метод Ньютона); с помощью 3-го уточнённого закона Кеплера (подробнее они познакомятся с ним далее).

Интересным оказался семинар «Урок практических знаний», где смешанные группы получили следующие задания (с последующим отчётом): 1) оценить массу атмосферы Земли и других планет; 2) оценить предельные высоты гор на Земле и планетах земной группы; 3) оценить объём и массу воды на земном шаре; 4) оценить эффект внезапного таяния льдов на Земле.

Конечно, к каждому заданию были приложены факты и теоретические подсказки. Но работать над этими заданиями, выносить их решения на защиту было очень интересно.

III. «Кинематика движения Земли». С удивлением учащиеся узнали, что наблюдение суточного движения звёзд не является доказательством того, что Земля вращается вокруг своей оси. В качестве домашнего задания ребята нашли истинные научные доказательства вращения Земли вокруг своей оси (из интернета, дополнительной учебной и научно-популярной литературы) и с удовольствием выступили с ними на уроке.

Истинные доказательства: 1) замедление колебаний маятниковых часов на экваторе из-за центробежного эффекта (обнаружил учёный Рише в 1672 г.); 2) изменение плоскости колебаний маятника (опыт Фуко, маятник Фуко); 3) подмывание правых берегов рек в Северном полушарии (эффект Бэра); 4) отклонение падающих тел от направления отвесной линии к востоку (из-за большей линейной скорости); 5) прецессия (колебания оси вращения вследствие воздействия на Землю Луны и Солнца). Но об этом подробнее учащиеся узнают в разделе V.

А как доказать, что Земля движется вокруг Солнца, т.е. совершает годичное движение? Спасибо Николаю Копернику за то, что он первым указал правильный выбор системы отсчёта: все тела в Солнечной системе движутся относительно и вокруг центральной звезды – Солнца.

Учащиеся приводили примеры: 1) смена времён года; 2) видимость разных созвездий в разное время года. Действительно, если воспользоваться представленной ниже схемой, то становится понятно, почему в разное время года видны разные созвездия, – «виновато» движение Земли вокруг Солнца.

Однако эти два примера – не доказательства годичного движения Земли, а следствия из этого факта. Главным доказательством существования годичного движения Земли является существование годичного параллакса звёзд. И уже с большим интересом ребята знакомились с понятием параллакса, учились применять его для определения расстояний до ближайших звёзд.

IV. «Динамика движения Земли». При изучении этой темы учащиеся решают много физических задач на применение закона всемирного тяготения, на расчёт космических скоростей, на равновесное поведение тел. Интересными оказались задачи типа: «В момент полного солнечного затмения действующие на Луну силы притяжения Солнца и Земли направлены противоположно. Какая из этих сил больше и во сколько раз? Сделайте выводы». Хорошая подборка задач по этой теме приведена в сборнике «3800 задач по физике» Н.В.Турчиной и др.

Понравилась практическая работа «Изменение видимости звёздного неба с учётом прецессии», которую выполняют после знакомства с эффектом прецессии и решением задачи типа: «За какое время ось вращения Земли опишет конус вследствие прецессии, если за год смещение конуса на фоне звёздного неба составляет угол 50 угловых секунд?» Получается 26 024 года. После этого учащиеся приступают к работе со звёздной картой по заданию: «Опишите, какие звёзды будут находиться вблизи Северного полюса мира через промежутки времени: 6,5 тыс. лет; 13 тыс. лет; 19,5 тыс. лет. Выполните рисунки этих созвездий».

V. «Система Земля–Луна». Здесь, в практической работе «Программа наблюдений солнечных затмений», школьники имели возможность использовать конкретный материал, полученный в экспедиции по наблюдению полного солнечного затмения в Астраханской области 29 марта 2006 г. В программу входили наблюдения: определение на опыте скорости лунной тени; наблюдение за «бегущими» тенями (результат дифракции света на неровностях поверхности Луны в последний момент перед полной фазой); наблюдение изменения освещённости неба; зарисовка и фотографирование звёздного неба во время полной фазы; наблюдение и фотографирование солнечной короны во время полной фазы; зарисовка с экрана телескопа всех фаз затмения; измерение скорости и направления ветра; измерение атмосферного давления; медицинские наблюдения за состоянием человека (измерение давления, пульса) и за поведением животных.

Работа с материалами экспедиции вызвала большой интерес, тем более что некоторые учащиеся принимали участие в экспедиции и самостоятельно работали по своим направлениям. Большую ценность представляют фотографии отдельных фаз затмения. В 10 км к югу от Астрахани полная фаза с наблюдением солнечной короны наступила в 15^ч 24^м по московскому времени и длилась 1 мин 52 с.

При изучении материала разделов VI–VIII («Магнитное и электрическое поля Земли», «Взаимодействие с космическими телами», «Особенности планеты Земля») учащиеся много работали над проектами. Интересными оказались презентации «Почему небо голубое?», «Космическая непогода – солнечный ветер», «К природе шаровых молний», «Тепловое поле Земли», «Инверсии магнитного поля Земли», «Вихри на Земле и во Вселенной», «О чём рассказал метеорный след?», «Вода и жизнь на Земле».

Итоговая контрольная работа действительно подвела итог изучения данного курса. 80% учащихся в профильном физическом классе выполнили её на «4» и «5». Приводим примеры заданий.

Вариант 2

1. Приведите любой пример оценки размеров земного шара.

2. Радиус земной орбиты r, радиус Солнца R. Найдите среднюю плотность Солнца.

3. Космический корабль движется вокруг неизвестной планеты по круговой орбите со скоростью около 2 км/с. Среднее расстояние от этой планеты до космического корабля 200 000 км. Определите массу планеты.

Вариант 10

1. Почему в разное время года вечером мы видим разные созвездия?

2. Период обращения Плутона вокруг Солнца составляет, по расчетам, 247,7 года. На каком расстоянии от Солнца он находится? (Сравнить с параметрами движения Земли вокруг Солнца).

3. Какую скорость должен иметь искусственный спутник, чтобы обращаться по круговой орбите на высоте 400 км над поверхностью Земли? Каков период его обращения?

________________

* Более подробно см. «Фестиваль педагогических идей „Открытый урок”», 2006. Сайт: http://festival.1september.ru.