Цели проведения конференции:
- расширение границ школьного учебника
- изучение строения и свойств окружающих нас кристаллических тел.
План проведения конференции “В мире камней”
- Распределение по желанию обучающихся в группы и подготовка сообщений.
- Историки: “История человечества и камни”; “Из истории изучения кристаллов”.
- Математики: “Многогранники – идеально правильные фигуры”; “Что такое симметрия”.
- Геологи: “Ресурсы Земли”; “Происхождение минералов”.
- Физики: “Строение кристаллов”; “Свойства кристаллов”.
- Химики: “Аллотропные видоизменения”; “Анизотропия кристаллов”.
- Инженеры: “Применение кристаллов в технике”
- Ювелиры: “Физические свойства минералов”; “ Самоцветы и знаки Зодиака”
- Изготовление геометрических фигур
- Выращивание кристаллов из раствора поваренной соли
- Реализация проекта “В мире камней” (Слайд-фильм о строении, свойствах, применении кристаллов)
- Подготовка выставки камней и выставки литературы о камнях.
“Земля дает нам больше знаний, чем все книги”. А.Сент-Экзюпери
Ведущий: Запасы недр - это история, эволюция и будущее планеты. Сегодня самым нещадным образом используются кладовые Земли: цивилизованное существование человечества полностью зависит от использования нефти, газа, металлических руд, руд цветных металлов, минерального сырья и строительных материалов, поделочных камней и пр. Наша цель: раздвинуть границы школьного учебника и больше узнать о камнях. Почему камни всегда имеют особое значение для человека?
Геолог: Камень – это всякая твердая нековкая составляющая земной коры в виде сплошной массы или отдельных кусков. Ювелир понимает под этим соловом драгоценные камни. Строитель - материалы, с помощью которых строят дома, мостят улицы. Геологи же, занимающиеся наукой о земле, называют объекты своего изучения не “камнями”, а горными породами и минералами. Минералы имеют форму кристаллов. В настоящее время известно более 3000 минералов. Открываются все новые. Но только около 100 имеют практическое значение. Минералы могут образовываться по-разному. Полевой шпат, слюда, кварц кристаллизуются из огнеупорных расплавов и газов в преимущественно в недрах Земли, реже из лав, разлившихся на земную поверхность. Некоторые минералы образуются из водных растворов, некоторые из других минералов путем перекристаллизации под воздействием больших давлений и температур.
Историк: Мы часто забываем или не отдаем себе отчета в том, что минералы и горные породы в просторечии именуемые камнями, такая же неотъемлемая часть окружающей природы как растения и животные. Между тем мир камня, гораздо древнее живого мира. Он оказал и до сих пор оказывает глубочайшее влияние на возникновение и развитие человеческой цивилизации. Не случайно первая, самая древняя и продолжительная часть истории человечества, теряющаяся во мгле тысячелетий, именуется каменным веком. Для первобытного человека камень был и оружием и инструментом. Наши далекие предки хорошо разбирались в свойствах камней. Изготавливая из вязкого базальта или нефрита прочные молотки. А из хрупкого с острыми сколами кремня или обсидиана – ножи, скребки, наконечники копий и стрел, по твердости, не уступающие стали. Из пирита и кремня высекались искры, разжигавшие огонь. Прозрачные и яркие камни – самоцветы – поражали воображение древних людей, они наделяли эти камни магической силой. Именно камень донес до нас скудные сведения о материальной культуре и быте людей каменного века. Каменный век сменился веками металлов: медным, бронзовым, железным. С развитием цивилизации сменилось и главное назначение камня, который стал использоваться не только в своем естественном виде, но и в качестве руды – источника металлов и других химических элементов.
Не менее семи тысячелетий известны человеку самоцветы. Первыми из них были аметист, горный хрусталь, янтарь, гранат, нефрит, яшма, коралл, лазурит, жемчуг, бирюза. Эти камни долгое время оставались доступными лишь привилегированной части общества и служили не только украшением, но и определяли статус их владельцев.
Ведущий: Даже сегодня, приобретая тот или иной самоцвет мы приобретаем к нему какую-то непонятную симпатию или склонность. Поэтому неудивительно, что в прежние, менее просвещенные времена драгоценным камням приписывалась таинственная сила.
Историк: Самоцветы служили не только амулетами, оберегами и талисманами, но использовались в лечебных целях. Старинные лечебники содержат “точные” сведения, какой камень может помочь от той или иной болезни. Лечение драгоценными камнями получило название литотерапии. Порой оно приносило успех, однако его следует относить и к психологическому внушению, оказавшему благотворное действие на больного. В Японии и сегодня в медицинских целях продаются таблетки из истолченных в порошок жемчужин (т.е. в основном из углекислого кальция).
Ювелир: Отличить один минерал от другого позволяет блеск, цвет, спайность, излом, твердость и плотность. Цвет минерала лишь в редких случаях может служить характерным диагностическим признаком, например: лазурит – синий, малахит – зеленый. Но большинство минералов могут иметь различную окраску. Например, флюорит может быть бесцветным, желтым, коричневым, розовым и почти черным. Главными носителями цвета камней - хромофорами - являются ионы тяжелых металлов, железа, кобальта, меди, ванадия и др., способные абсорбировать определенные длины волн в видимой области. Блеск минерала обусловлен тем, как отражает свет его поверхность. Различают стеклянный, шелковый. Алмазный, металлический, восковой, смоляной, жирный блеск. Под твердостью обычно понимают сопротивление, которое оказывает минерал при попытке поцарапать его другим минералом или предметом. Всего существует 10 шкал твердости. Самой высокой твердостью обладает алмаз (10-й класс). К 9 классу относятся рубин, сапфир, к 8 классу – топаз, аквамарин, изумруд, к 7 - аметист, тигровый глаз, горный хрусталь, турмалин, агат, розовый и дымчатый кварц, к 6 классу относятся опал, лазурит, пирит.
Ведущий: Как связаны камни со знаками Зодиака?
Ювелир: В древние времена люди верили в свой “счастливый” камень. Алхимики и астрологи определяли его в зависимости от того под какой “звездой” родился человек. (Рассказывает о камнях и знаках Зодиака.) Традиции сохранились до сегодняшних дней. В каждом ювелирном магазине нам предлагают соответствующие нашему дню рождения самоцветы.
Ведущий: Кристаллы – совсем не музейная редкость. Кристаллы окружают нас повсюду. Кристаллы – твердые тела. Изучением строения и свойств твердых тел занимаются различные науки: физика, кристаллографии (наука о кристаллах), химия. Для получения представления о строении твердых тел и в частности камней нужно обращаться к результатам исследования всех этих наук. Изучением строения и свойств твердых тел занимается физика твердого тела. Эта область остается одной из ведущих в физике не только потому, что она увлекательна.
Инженер: Главное в том, что физика твердого тела составляет основную часть фундамента современной техники. Все строительные и конструкционные материалы (различные марки стали, всевозможные металлические сплавы, полимеры, кирпич, песок, гранит и т.д.) - твердые материалы. Почти все они относятся к кристаллам. Если посмотреть на простой камень в микроскоп, то можно увидеть, что каждый камень состоит из маленьких кристалликов. Песок, гранит, поваренная соль, сахар, медь, железо – все это – кристаллические тела.
Ведущий: Давайте познакомимся со строением и свойствами кристаллов ближе и выясним. Что общего между куском стали и горным хрусталем?
Математик: Кристаллы принимают форму многогранников. (Представляет различные геометрические фигуры правильной формы, изготовленные учащимися: куб, октаэдр, додекаэдры, шестигранная призма и т.д.) Знаменитый петербургский академик – математик Леонард Павлович Эйлер одно интересное правило: число ребер равно сумме числа граней и вершин, уменьшенной на два. Действительно, для куба имеем 12 = 6 + 8 – 2; для октаэдра 12=8 + 6 -2; для шестигранной призмы 18 = 8 + 12 – 2 и т.д.
Алмаз находят в природе в виде октаэдров, гранит – в форме ромбододекаэдров, поваренная соль виде кубов.
Физик: Наша группа “Физики” рассмотрела большое количество кристаллов каменной соли. Мы обнаружили, что имеются кристаллы идеально правильной формы: маленькие и большие. Кристаллы похожи как братья - близнецы. Разница состоит в том, что различно число граней одного “сорта”. Объясняет это сходство закон постоянства углов, открытый М.В.Ломоносовым. Изучая драгоценные камни, он находил одни те же углы между их гранями. (Представляет различные формы кристаллов – близнецов.) Два образца кристаллов внешне могут быть не очень похожими, но если измерение показывает, что углы между гранями одинаковы – мы имеем дело с одним и тем же веществом.
Ведущий: Какую роль в строении кристаллов имеет симметрия?
Математик: Смысл этого слова лучше всего понять на примерах. (Представляет примеры тел. Имеющих плоскость симметрии). Наиболее точная симметрия существует в мире кристаллов, но и здесь она не идеальная: наличие невидимых глазом трещинок, царапин всегда делает равные грани слегка отличными друг от друга. Представляет наглядно на рисунках и фотографиях оси симметрии 2, 3, 4, 6 порядков. В кристаллах мы встречаемся с симметрией именно этих порядков. (Демонстрирует примеры симметрии. Далее говорит о симметрии кристаллов.)
Историк: Красивая блестящая поверхность кристаллов была знакома уже людям древности. Представление древних о кристаллах мало чем отличались от сказок и легенд сочиненных поэтами, воображение которых было пленено красотой кристалла. Верили, что хрусталь образуется изо льда, а алмаз из хрусталя. Кристаллам приписывалось много таинственных свойств: влиять на судьбу человека, защищать от болезней. Лишь в XVII – XVIII веках появились первые научные взгляды на природу кристаллов. (Рассказывает о “кирпичной” теории строения кристаллов). В 1890 году русский ученый Е.С.Федоров высказал блестящую идею о пространственной решетки кристалла. Представление о пространственной решетке кристалла оставалось гипотезой до 1912 года. Подтверждение правильности представления о внутреннем строении кристаллов стало возможным с открытием немецким ученым В.Рентгеном в 1895 году Х - лучей. Которые впоследствии стали называть рентгеновскими. В 1912 году другой немецкий физик Макс Лауэ использовал рентгеновские лучи для исследования внутреннего строения кристаллов. Быстрое развитие науки позволило использовать и другие метод: развитие ядерных реакторов дает возможность получать интенсивные пучки нейтронов, которые используются для изучения структуры вещества.
Ведущий: В основе физической теории строения кристаллов лежит учение о строении атома, о силах, связывающих атомы и молекулы вещества. (Напоминает о строении атома, ионов).
Химик: Изучение сил связи в кристаллах привело к убеждению, что все кристаллы можно отнести к четырем основным видам: ионным, молекулярным, атомным и металлическим. (Рассказывает о природе сил связи в кристаллах.)
Ведущий: Почему одни и те же атомы образуют разные кристаллы?
Химик: рассказывает об аллотропных видоизменениях.
Ведущий: Поговорим о свойствах кристаллов.
Химик: Наиболее замечательное свойство кристаллов - анизотропия. Смысл этого слова неодинаковость по направлениям, изотропность – одинаковость по направлениям. Изотропный материал – стекло. Хрупкость стекла не зависит от направления. При нагревании стеклянный шар сохраняет свою форму, следовательно. расширяется одинаково. Пример анизотропных материалов встречался всякому - дерево. Причина анизотропии – волокнистое строение. Анизотропия кристаллов объясняется также их строением. Выражается это в таких явлениях как спайность, теплопроводность.
Ведущий: Гладкие поверхности кристаллов отражают свет подобно зеркалу. Пропускает ли кристалл свет?
Физик: Преломление света в кристаллах происходит также как в воде или в стекле. Преломляясь в кристалле белый свет, разлагается на радужные цвета, поэтому искусно ограненные чистые кристаллы бриллианта “играют всеми цветами радуги”. Кристаллы, имеющие некубическую кристаллическую решетку, обладают свойством двойного лучепреломления (например, кальцит или исландский шпат) Когда на кристалл попадают два луча, на которые расщепился свет. То они проходят через него неодинаково легко. Для одного из лучей кристалл “более прозрачен”, чем для другого. К таким кристаллам относится турмалин. А свойство называется поляризацией. Связано это свойство с электромагнитной природой света. Свет - это быстропеременное электрическое и магнитное поле. Тесно связанное между собой и образующее электромагнитное поле, распространяющееся волнообразно вдоль луча.
Инженер: Кристаллы имеют много полезных своеобразных свойств. Например, пьезоэлектрические свойства. Ими обладают не все кристаллы, а лишь, обладающие определенной симметрией. К таким кристаллам относятся турмалин, сахар, кварц. Пьезоэлектричество – это возникновение электрических зарядов под действием давления или растяжения (механическая энергия превращается в электрическую энергию: механическое действие преобразуется в электрическое напряжение). Пьезокварцевые устройства чрезвычайно чутки. Достаточно дунуть на пьезокварцевую пластину для того, чтобы откликнулся электрический прибор. Это позволяет применять пьезокварцевые пластины в медицине (для “выслушивания” шумов в сердце человека) и в технике (для проверки “подозрительных” шумов механизмов), связи (помогает делать более устойчивой работу передатчиков).
Ведущий: Можно ли вырастит кристалл в домашних условиях?
Физик: рассказывает о выращивании кристаллов из раствора поваренной соли и показывает результат эксперимента.
Ведущий: Первые (и нередко единственные!) сведения о минералах и горных породах мы получаем в школе на уроках природоведения географии, физики, химии. Мир камней – это мир природы. Много теряет тот, кто не стремится больше узнать об окружающей мире. Ничто не в состоянии заменить непосредственного общения с окружающей естественной средой, доступной нашему сознанию. И как прав наш замечательный ученый и пропагандист минералогических знаний академик А.Е.Ферсман, когда писал: “Камень – замечательный материал природы, на котором строились и будут строиться техника и прикладное искусство, с одушевляющей его творческой мыслью является неотъемлемым элементом культурного развития человечества”.
Литература
- Ферсман А.Е. Очерки по истории камня. М. Издательство АН СССР т.1, 2 , 1961
- Годовиков А.А. Минералогия . М. , “Недра”, 1983
- Лебединский В.И. В удивительном мире камня М. , “Недра”, 1985
- Факультативный курс физики . 9 кл. Пособие для учащихся. Под ред. А.В. Перышкина и Е.С.Каменецкого. М., “Просвещение”, 1976
- Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни.М., “Недра” 1982