Конкурс "Я иду на урок"

Автомобильный транспорт и окружающая среда

Некое существо встало на двух своих задних конечностях,
а потом опустилось опять на четыре колеса.
Станислав Ежи Лец.

Общая характеристика урока. Урок проводится после изучения темы «Тепловые двигатели» [1, c. 277–283] и в соответствии с «Требованиями к уровню подготовки выпускников» [2, c. 24, 25] предназначен для формирования навыков использования приобретённых знаний и умений в практической деятельности и повседневной жизни для: • оценки влияния на организмы человека и животных загрязнения окружающей среды; • рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Тип урока	Обобщение и систематизация знаний
Цель урока	Усвоение знаний и способов действий в комплексе и системе
Дидактическая задача	Формирование целостной системы ведущих знаний по теме
Логика построения урока	Мотивация – анализ содержания учебного материала – выделение главного –  установление внутрипредметных и межкурсовых связей – обобщение и систематизация
Рефлексивная деятельность ученика	Самоосмысление, самореализация и саморегуляция
Деятельность учителя по обеспечению рефлексии	Подача учебного материала с учётом зоны ближайшего и актуального развития ученика
Показатели реального результата решения задачи	Активная и продуктивная деятельность учащихся по включению части в целое

 

Ход урока

1. Подготовительный этап (15 мин) Учитель. Транспорт – важный компонент общественного производства и жизни общества. Бóльшую долю всего объёма транспортных перевозок выполняет грузовой транспорт, при этом 30–35% приходится на железные дороги, около 60% – на автомобильное сообщение и 5–10% – на трубопроводы, транспортёры, речной и морской флот [3, c. 37, 38]. Больше всего загрязняет атмосферу автомобильный транспорт – отработанными газами, картерными углеводородами, испарениями из бака, карбюратора и трубопроводов. В отработанных газах содержатся (в объёмных процентах): монооксид углерода (0,5–10%), оксиды азота (до 0,8%), углеводороды (до 3%), альдегиды (до 0,2 %), сажа [3, c. 40]. Большинство применяемых бензинов являются этилированными, т. е. содержащими ядовитый антидетонатор тетраэтилсвинец (C₂H₅)₄Pb (0,4–0,8 г/л), одно из самых вредных веществ в выхлопных газах. Сам свинец и многие переходные и тяжёлые металлы токсичны. среди них наибольшую опасность представляют девять: Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, As – по двум причинам: либо они производятся в очень большом количестве, либо обладают высокой токсичностью и потому могут представлять опасность для человека, животных и экосистем в целом [4, c. 417–421].

Полагают, что избыточное содержание катионов Cr³⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и Pb²⁺ приводит к замещению ими других катионов в активных центрах ферментов, а катионы Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ и Pb²⁺ образуют прочные связи с серосодержащими донорными группами ферментов, вытесняя менее прочно связанные катионы. в обоих случаях ферменты ингибируются. помимо этого известно, что многие из перечисленных катионов способны связываться с азотистыми основаниями днк и фосфатными группами различных биоактивных молекул. они изменяют проницаемость мембран, сильно затрудняют окислительное фосфорилирование и синтез белков. У растений подобные воздействия приводят к резкому снижению фотосинтеза и накопления биомассы.

Перечисленные данные дают лишь общую картину в отношении экологической опасности и токсичности металлов. Их реальная опасность в конкретных условиях зависит от большого числа факторов. Среди этих факторов важнейшими являются следующие:

1. Способность растений к избирательному поглощению металлов из почвы и накоплению в тканях. Она сильно различается для дикорастущих и культурных растений, для видов и сортов. Однако в целом содержание металлов в биомассе растений во много раз меньше их среднего содержания в почвах, т. е. растения обладают определёнными средствами защиты от избытка токсичных металлов в почвах.
2. Присутствие в почвах неорганических соединений металлов (см. выше). Хотя в почвенной влаге металлы растворяются плохо, они в результате ионного обмена попадают в коллоидные, глинистые и гумусовые вещества, которые являются резервом усваиваемых растениями ионов. Кроме того, корневые волоски растений выделяют органические кислоты – хелато­образователи, – которые сильно увеличивают растворимость многих минеральных частиц и связывают содержащиеся в них катионы металлов в непосредственно усвояемые хелатные комплексы.
3. Зависимость степени усвояемости токсичных металлов от химической формы, в которой они попадают в почву. Наибольшую опасность представляют непосредственно усвояемые ионы и сильно диспергированные, легко растворимые соединения. К их числу, например, относится легко испаряющийся тетраэтилсвинец, который гидролизуется и восстанавливается в почве до Pb²⁺. Важными внешними факторами, увеличивающими концентрации токсичных металлов в почвенных растворах, являются кислотные дожди, вызывающие растворение почвенных и привнесённых частиц с высоким содержанием металлов.
4. Неспособность растений полностью исключать ненужные ионы. При высоких концентрациях ионы проходят через мембраны корневых волосков и аккумулируются растениями.
5. Загрязнение почв токсичными металлами, в частности, с пылью, которая может переноситься ветром на огромные расстояния. Попадая в почву, частицы пыли растворяются, надолго повышая содержание токсичных металлов в почвенных коллоидах и растворах.
6. Аккумуляция токсичных металлов в почвах вследствие долговременного действия источников загрязнения. Естественный унос токсичных металлов с грунтовыми и почвенными водами, с дождевыми и весенними паводками происходит медленно (в течение десятков, а иногда и сотен лет), т. к. они сильно поглощаются почвенными коллоидами.
7. Токсичное воздействие металлов на микрофлору и микрофауну почв, многочисленных насекомых, обитающих в почве и на её поверхности. Изменяются и сама экосистема, и условия обитания в ней, и её пригодность для использования в сельскохозяйственных целях. Интоксикация человеческого организма соединениями свинца способствует возникновению и развитию заболеваний нервной системы, почек, печени, кишечника.

 

2. Лабораторно-практическое задание «Определение наличия свинца в растительности, произрастающей на разном расстоянии от автомобильной магистрали» (20 мин, выполняется под руководством учителя) [3, c. 46].

Методические рекомендации. Учитель заранее собирает листья и траву на расстоянии 2–3 м, 100 м, 300 м, 500 м, 800 м от оживлённой автомагистрали, высушивает и нумерует пробы, готовит и уваривает экстракт (см. п. 1), а на уроке рассказывает ученикам о проделанной работе. Ученики получают на столы одинаковое количество пробирок с растворами разных проб (взятых на разном расстоянии от автомагистрали), добавляют в каждую пробирку водный раствор сернистого натрия, рассматривают на свет содержимое пробирок и приходят к выводу, что чем дальше от автомагистрали, тем меньше концентрация свинца в растительности, т. е. раствор светлее.

Инструкция к выполнению работы

1. Размолите собранную растительность и добавьте во все пробы строго одинаковое количество спирта и воды (или водки). Затем кипятите или упаривайте полученный экстракт, чтобы свинец перешёл в раствор.
2. Приготовьте водный раствор сернистого натрия Na₂S (например, из фотохимикалиев). Капайте им в растительный раствор в разных пробах и наблюдайте выпадение чёрного осадка.
3. Рассмотрите получившееся содержимое в разных пробах на свет и сделайте вывод, как связан цвет раствора с расстоянием места взятия пробы от дороги.

 

3. Рассказ учителя (10 мин)

Развитие цивилизации неизбежно предполагает дальнейшее расширение транспортных сетей и средств передвижения. важно понимать, что основная часть потока загрязнений, поступающих в атмосферу, литосферу и гидросферу Земли обусловлена объективно существующими научно-техническими трудностями [5]. Организация полностью безотходных процессов невозможна. Полная ликвидация каких бы то ни было отходов приводит к бесконечному росту стоимости продукции. представления о возможности создания экологически чистого транспорта являются иллюзией, но какие-то шаги по уменьшению вредных выбросов могут быть сделаны.

Выхлопные газы автомобиля могут быть очищены от монооксида углерода, оксидов азота и полициклических ароматических углеводородов с помощью каталитических дожигателей, содержащих нанесённый катализатор из металлов платиновой группы. Стоимость этих аппаратов довольно высока и может составлять до 15% стоимости легкового автомобиля. Кроме того, тетра­этилсвинец, входящий в состав этилированного бензина, отравляет эти катализаторы. Полный отказ от широкомасштабного использования этилированного бензина требует гигантских экономических затрат, но совершенно необходим в ближайшем будущем.

Электромоторы, которыми предлагают заменить двигатели внутреннего сгорания, действительно относительно чисты экологически. Однако в качестве источников тока рассматриваются кислотные (свинцовые) или щелочные (никель-кадмиевые) аккумуляторы, что потребует увеличения производства этих отнюдь не безопасных металлов и производств, связанных с их утилизацией, а также электростанций для их зарядки и производства тех же металлов. Таким образом, в данном случае происходит всего лишь перенос экологических проблем из одного региона в другой.

Очевидно, что технологическое развитие цивилизации неминуемо приводит к возникновению сложных экологических проблем, которые столь трудны и многоплановы, что некоторые учёные и мыслители всерьёз ставят вопрос о свёртывании промышленного производства и возврату человечества к патриархальному быту, характерному для середины или второй половины XIX столетия. Но захотят ли земляне вернуться в прошлое? Вряд ли.

Каковы же возможные пути преодоления отрицательных технологических последствий? Наряду с повышением уровня общей культуры и нравственности, созданием эффективного природоохранного законодательства, решением проблемы финансирования природоохранных мероприятий, ключевым элементом в борьбе с загрязнением окружающей среды должен стать поиск грамотных и действенных научно-технических решений, позволяющих минимизировать загрязнения до уровня, с которым природа Земли будет в состоянии справиться самостоятельно.

 

4. Самостоятельное решение учениками расчётных количественных задач (40 мин)

(Учащиеся получают раздаточный материал, решают задачи и анализируют ответы. Учитель координирует и контролирует их деятельность.)

• Количество загрязняющих веществ пропорционально расходу топлива, поэтому более экологичны двигатели, расходующие меньше топлива. Легко рассчитать, что расход топлива автомобилем прямо пропорционален его массе.

Задача 1 [6, № 681*, c. 88]. Автомобиль массой 4,6 т трогается с места на подъёме, равном 0,025, и, двигаясь равноускоренно, за 40 с проходит 200 м. Найти расход бензина (в литрах) на этом участке, если коэффициент сопротивления равен 0,02 и КПД равен 20%.

Решение. КПД двигателя автомобиля определяем по формуле:

где A – полезная работа, совершённая двигателем автомобиля массой M на пути s, пройденном за время t под действием силы тяги F на подъёме под углом α [6, с. 43] при коэффициенте сопротивления μ, Q – количество теплоты, полученное от сгорания бензина массой m, объём которого V, плотность ρ, удельная теплота сгорания q.

Отсюда находим объём израсходованного бензина:

Подставляя в полученное выражение числовые данные, получаем V = 0,1 л.

• Анализ полученной выше формулы показывает, что сокращения расхода топлива можно добиться за счёт повышения его калорийности, уменьшения массы автомобиля и повышением КПД (подумайте, как это сделать, сформулируйте и запишите свои предложения). Ещё один резерв экономии топлива – учёт аэродинамического сопротивления автомобиля. Другая проблема (не только экономическая, но и сугубо экологическая) – сокращение холостого пробега. Автомобиль, «возящий воздух», не только зря «сжигает деньги», но и отравляет атмосферу.

Задача 2 [6, № 680*, c. 88]. Междугородный автобус прошел путь 80 км за 1 ч. Двигатель при этом развивал среднюю мощность 70 кВт при КПД, равном 25%. Сколько дизельного топлива, плотность которого 800 кг/м³, сэкономил водитель в рейсе, если норма расхода горючего 40 л на 100 км пути?

Решение. КПД двигателя автомобиля определяем по формуле: где A – полезная работа, совершённая двигателем автомобиля, мощностью N за время t; Q – количество теплоты, полученное от сгорания бензина массой m, объёмом V, плотностью ρ и удельной теплотой сгорания q.

Объём израсходованного в рейсе дизельного топлива

Запланированный расход дизельного топлива V₂ определяем из соотношения

Экономия топлива ΔV = V₂ – V = 32 л – 30 л = 2 л.

Задача 3 [7, № 9–I-12, c. 134, 135]. Из окна «Жигулей» на обочину дороги водитель выбросил пустую алюминиевую банку из-под «Пепси». Производство алюминия требует затрат энергии. Представьте себе, что водитель не выбросил банку, а сдал её на переработку; съэкономленную энергию ему отдали в виде бесплатного бензина. Какое расстояние сможет проехать его автомобиль на бензине за одну банку, если известны масса банки (15,0 г), теплота образования оксида алюминия (руда) (1676 кДж/моль), коэффициент использования электроэнергии при получении алюминия из оксида с учётом подготовки сырья (45%), коэффициент использования энергии топлива для получения электроэнергии на тепловой электростанции (35%), энергия, выделяемая при сгорании 1 л бензина (34 000 кДж), расход бензина автомобилем (6 л на 100 км)?

Решение [7, № 9–I-12, c. 144]. При выплавке алюминия происходит реакция Al₂O₃ = 2 Al + (3/2)O₂.

Значит, для получения 2 моль (54 г) Al надо затратить количество теплоты 1676 кДж, а для получения 15 г Al требуется

Дополнительные задачи (для тех, кто справился с основным заданием):

Задача 4 [9, № 1.89, с. 24]. Легковой автомобиль массой М = 1000 кг равномерно движется по наклонному участку шоссе, поднимаясь на высоту h = 10 м на каждый километр пути. Насколько в этом случае расход бензина больше, чем при движении с той же скоростью по горизонтальному участку шоссе? Удельная теплота сгорания бензина q = 4,6 · 10⁷ Дж/кг. КПД двигателя η = 10 %. Расход бензина принято относить к пути l =100 км.

Решение [9, № 1.89, с. 185]. На горизонтальном участке шоссе энергия двигателя расходуется только на работу против сил сопротивления движению автомобиля (сопротивление воздуха, трение о дорогу и в осях колёс). Если F – результирующая сила сопротивления, а m₁ – расход бензина на горизонтальном участке шоссе, то можно написать m₁ qη = Fl. Так как при подъёме автомобиля скорость остаётся прежней, сила сопротивления не меняется. Но теперь за счёт энергии двигателя будет нарастать ещё потенциальная энергия автомобиля. Закон сохранения энергии запишется теперь так: m₂qη = Fl + Mgh, где m₂– расход бензина при подъёме. Таким образом:

m₂ – m₁ = Mghl/(qη) = 2,2 кг.

Задача 5 [9, № 1.91, с. 24, 25]. В большом городе автомобиль вынужден часто останавливаться у светофоров. Например, такси в Москве на каждые 100 км пробега совершает до 100 остановок. Допустим, что после каждой остановки такси разв ивает скорость υ = 60 км/ч. Сила сопротивления движению автомобиля F = 300 Н и при этом мало зависит от скорости. Во сколько раз расход бензина в Москве больше по сравнению с загородным маршрутом, где остановки практически отсутствуют? Масса такси М = 1, 5 т. КПД двигателя не зависит от скорости.

Решение. [9, № 1.91, с. 185]. Если такси движется без остановок, работа двигателя (а расход бензина ей пропорционален) A₁ = Fl. После каждой остановки двигатель совершает дополнительную работу, сообщая автомобилю кинетическую энергию. Поэтому работа двигателя в городе A₂ = Fl + 100Mυ²/2. Отношение расходов бензина α = 1 + 100Mυ²/(2Fl) = 1,7.

 

4. Подведение итогов урока (5 мин)

Заканчивая урок, целесообразно ещё раз подчеркнуть необходимость формирования системы умений и навыков, технологий и стратегий взаимодействия с Природой. Чтобы экологически целесообразно поступать, человеку необходимо уметь это делать: и понимания, и стремления окажется недостаточно, если он не сможет их реализовать в системе своих действий. Освоенность соответствующих технологий и выбор правильных стратегий и позволяют поступать с точки зрения экологической целесообразности [8].

В качестве долгосрочного домашнего задания, служащего дальнейшему развитию темы, учащимся может быть предложен учебно-исследовательский проект по следующим направлениям [3, c. 46]: • Механический аккумулятор – реальное будущее или утопия • Солнце вместо бензина • Транспорт XXI в • Будущее газотурбинного двигателя • Теплокар – паровой автомобиль без топки • Вода в бензобаке.

 

Литература

1. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. М.: Дрофа, 2001. 416 с.
2. Сборник нормативных документов. Физика / Сост. Э.Д. Днепров, А.Г. Аркадьев. М.: Дрофа, 2004. 111 с.
3. Глазунов А.Т., Кнорре Е.Б. Экология, техника и производство. – М., Просвещение, 1992. 56 с.
4. Князев Д.А., Смарыгин С.Н. Неорганическая химия: учеб. для вузов по спец. «Агрохимия и почвоведение». М.: Высш. шк., 1990. 430 с.
5. Лисичкин Г.В. Экологический кризис и пути его преодоления // Соросовский образовательный журнал, 1998. № 12. С. 65–70.
6. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10–11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2004. 192 с.
7. Третья Соросовская олимпиада школьников 1996/1997. М.: МЦНМО, 1997. 512 с.
8. Дерябо С.Д., Ясвин В.А. Экологическая педагогика и психология. Ростов-н/Д: Изд-во «Феникс», 1996. 480 с.
9. Сборник задач по физике: учебное пособие / Баканина Л.П. [и др.]. М.: Наука. Главная редакция ФМЛ, 1990. 352 с.

 

Игорь Анатольевич Изюмов (на фото – с женой Ириной Викторовной – в станице Старочеркасской) 29 лет в одной и той же школе: 10 лет – учеником и 19 – учителем. Классным руководителем успел побывать не раз: выпустил один 9-й и три 11-х. У учеников уже свои дети. Нет-нет, да и спросят: «А вы маму (папу) мою (моего) помните?» Бывает, и «папы» с «мамами» забегут. И прямиком за «свою» парту: «А помните, как?..» А как такое забудешь?! И обязательно: «Ну как современные ученики?!» А что? Ученики по-прежнему то радуют, то (правда, совсем немножко) огорчают. Нынешний 8-классник Гор Сирадегян, к примеру, первое место на районной олимпиаде по физике занял, 9-классник Лёша Алябьев в заочный лицей «Авангард» поступил, 10-классники Ваня Гевало, Лена Блынская и Настя Юркевич вот уже четвёртый год по физике только «5» получают. И всерьёз о сдаче ЕГЭ подумывают. А будущие выпускники из 11-го Ира Денисова и Оля Одинцова уже всерьёз к ЕГЭ готовятся: инженер-эколог – специальность нешуточная. И Лера Зубкова с ними, ей в знаменитой «Можайке» без физики никак… Так и растёт поколение за поколением. И есть в этих поколениях и врачи (кардиологи, педиатры, нейрохирурги), и боевые офицеры, и государственные служащие. Есть даже парочка физиков. И все они, без сомнения, замечательные люди! И все когда-то изучали в школе физику…