Авторская программа элективного курса для 9-х классов по теме "Грозовая деятельность в атмосфере"

Представленный элективный курс для предпрофильной подготовки учащихся 9-х классов (17 часов) является предметно-ориентированным и посвящен такому интересному физическому процессу, как электрический ток в природных условиях. Кроме того данный курс способствует формированию научного мировоззрения учащихся в особенности по теме - электрического взаимодействия атмосферы и земной поверхности. С целью более полного представления о природном электричестве, в ходе курса учащиеся углубляются в отдельные основополагающие темы раздела электричества, что может положительно повлиять на их мотивацию к получению большего количества знаний связанных с реальным представлением целостной картины мира.

Человек всегда почтительно относился к чудодейственной силе молнии. Достаточно вспомнить, какое место заклинания грозы занимают в религиозных преданиях и фольклоре разных народов. Зависимость человечества от погоды увеличивается - в противоположность бытующим представлениям - с развитием техники и промышленности. Человек XIX века, водрузивший на свой дом молниеотвод, не имел даже отдаленного представления о трудностях, которые возникли в XX веке при защите многих тысяч километров линий электропередачи от грозы; еще в начале XX века можно было не беспокоиться о величине и природе атмосферных радиопомех. Появление новой техники стимулирует нередко интерес к таким свойствам атмосферы, о существовании которых раньше даже не подозревали. Так, пришлось заинтересоваться электропроводностью атмосферы.

Одним из наиболее ярких проявлений атмосферного электричества, а именно грозовой деятельности является, конечно, молния. Молния - одно из самых удивительных явлений природы, которое на протяжении тысячелетий поражало воображение людей. Однако научное исследование молнии началось лишь около двух с половиной столетий назад, когда д'Алибар во Франции (в 1752году) и Б.Франклин в Америке положили начало эре электричества, заложив основы нашего современного "электронного общества". Изучение гроз развивалось от наблюдений и умозрительных рассуждений к теоретическим и экспериментальным работам, основанным на теории электромагнетизма и физике плазмы. В настоящее время физика грозы хорошо понятна. При этом, разумеется, остаются открытыми для исследования многочисленные детали. Стремительно расширяется круг свойств атмосферы, которые метеорология должна учитывать, контролировать, измерять, упаковывать в справочники, обобщать в монографиях и использовать в прогнозах погоды - погоды с всё увеличивающимся набором элементов.

Учитывая все эти аспекты, данный элективный курс несет в себе различные понятия о физике атмосфер, поэтому в него включены некоторые темы на первый взгляд слабо связанные с электричеством, но если рассматривать развитие атмосферных электрических явлений со всеми условиями, то данные темы станут основополагающими.

Организация учащихся на занятиях предполагает следующие формы занятий: лекционные с использованием демонстраций, лабораторные работы, постановка эксперимента, а также завершает курс научно-практическая конференция, как результат самостоятельных исследований по поставленным преподавателем темам.

Цель курса: Формирование у школьников представления об основах грозовой деятельности в атмосфере Земли в целом, а также в районе г.Комсомольска-на-Амуре с научной точки зрения, помимо этого показать роль грозы в жизнедеятельности человека.

Для ее достижения решается ряд задач:

• рассмотреть вопросы, связанные с понятием электрических явлений в атмосфере Земли;
• обсудить различные аспекты влияния грозовой деятельности на Землю и отдельно на человека;
• научить отличать различные виды молний и уметь производить элементарные наблюдения и расчеты, касающиеся грозовой деятельности;
• рассмотреть различные способы защиты человека от молнии;
• показать основные закономерности и характеристики грозовой деятельности в г.Комсомольске-на-Амуре.

Требования к уровню освоения содержания курса и контролю знаний.

Учащиеся должны знать:

• определения молнии, грозы, классификацию электрических разрядов, виды молний и особенности каждого вида;
• порядок развития самостоятельных электрических разрядов в газе, а также механизм развития молнии;
• методику наблюдения за грозовой деятельностью в атмосфере, конкретного географического района.

Учащиеся должны уметь:

• проводить научное наблюдение за грозовой деятельностью в атмосфере;
• создавать защиту от молний для себя и окружающих.

Итоговый контроль знаний предлагается осуществить с помощью защиты индивидуальных работ учащихся на научно-практической конференции.

Учебно-тематический план

Содержание и методические рекомендации по проведению курса.

Тема 1. Электрический ток в газах. Разнообразие газовых разрядов.

Основные подходы к определению явления электрического тока в газах. Рассматриваются существующие взгляды на природу данного явления, а также его основные особенности. Дается представление о ходе возникновения газового разряда.

Приводятся примеры различных видов газового разряда, некоторые из них показываются в лабораторных условиях на экспериментальных установках (тлеющий разряд, а также коронирующий, дуговой и искровой разряды).

Тема 2. Электрические заряды осадков. Распределение зарядов в грозовом облаке.

Рассматриваются основные особенности электрического заряда различных видов осадков, а также приводится примерная схема распределения электрических зарядов внутри облака и причины такого их распределения.

Тема 3. Определение относительной влажности воздуха.

Лабораторная работа по определению относительной влажности воздуха. Приводится два метода определения относительной влажности воздуха: при помощи психрометра, а также методом определения точки росы (гигрометр Ламбрехта). Занятие начинается с небольшого теоретического введения для четкого осознания учащимися цели и задач работы.

Тема 4. Электризация грозовых облаков. Отрицательный заряд земной поверхности.

Вводится понятие конденсатора и его основных характеристик. Дается полная схема атмосферы Земли на основе теории шарового конденсатора. Приводится схемы распределения зарядов на поверхностях, а также механизм их возникновения во время предгрозовых периодов, а также во время самой грозы.

Тема 5. Исследование разряда конденсатора и измерение его электроемкости.

Лабораторная работа по исследованию разряда конденсатора и измерению его электроемкости. Этот способ основан на измерении заряда, отданного конденсатором при разрядке, чтобы определить заряд, необходимо знать зависимость силы тока при разряде от времени, по полученным данным строится график зависимости и площадь, ограниченная графиком и осями координат равна заряду конденсатора. Впоследствии, измерив, разность потенциалов на обкладках конденсатора определяем его электроемкость.

Тема 6. Измерения электричества гроз

Рассматриваются основные методы и устройств для определения и измерения величины силы тока, амплитуды, формы и полярности напряжения. Приводится методика определения скорости и направления развития молнии. В поддержку словесному объяснению приводятся некоторые схематически представленные измерительные установки.

Тема 7. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Кратко дается понятие о законе Ома для полной цепи, а также одновременно вводится определение электродвижущей силы. Лабораторная работа по определению ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. Используя источник тока, вольтметр, амперметр и реостат, измеряем силу тока и напряжение при различных значениях сопротивления внешнего участка цепи. Вычисляем внутреннее сопротивление источника тока по закону Ома для всей цепи, после чего, отключив всю внешнюю цепь, измеряем ЭДС источника вольтметром. Применимо к грозовой деятельности приводится объяснение основных условий для работы закона Ома в данном виде электричества.

Тема 8. Молния и механизм её развития. Виды молний.

Рассматривается понятие молнии, её основные характеристики. Приводятся примеры механизмов развития стримера, его основные параметры. Называются основные виды и отличительные особенности молний и сопровождающих их явлений. Учитель приводит по ходу объяснения различные наглядные представления о видах молний, а также характере их прохождения.

Тема 9. Механизм лазерного управления молнией. Защита от молнии.

Приводится пример управления развития стримера при помощи лазерного излучения. Приводятся основные принципы, на которых основывается данный опыт. Определяются основные правила поведения человека во время грозы, а также основные условия для защиты жилых объектов от ударов молний. Приводится элементарное устройство для защиты здания от молнии.

Проводится экспериментальное исследование эффективности защиты от молнии при помощи электрофорной машины, а также бумажного макета здания с воссозданном на нем импровизированным молниеотводом.

Тема 10. Распределение грозовой деятельности по земной поверхности.

Особенности грозовой деятельности в городе Комсомольске-на-Амуре.

Приводится основная схема распределения грозовой деятельности по всей земной поверхности в целом. Даются мировые, а также российские очаги, повышенной грозовой активности. Дается понятие о параметрах определения очагов грозовой деятельности.

Рассматриваются основные особенности грозовой деятельности в районе города Комсомольска-на-Амуре. Приводятся результаты наблюдений автором данного явления в течении времени с 1999 по настоящий год, в результате которых делаются некоторые выводы об особенностях грозовой деятельности атмосферы в районе города Комсомольска-на-Амуре.

Тема 11. Научно-практическая конференция.

Данная форма занятия выступает одновременно итоговым по данному курсу, для учащихся же это реальный шанс выступить со своими взглядами и результатами поисков по конкретно заданной теме. Проведение научно-практической конференции в основе, которой лежат доклады учащихся, подготовленные по дополнительным источникам на темы перечисленные ниже:

Темы докладов для научно-практической конференции.

1. Области применения в технике самостоятельных газовых разрядов.
2. Шаровая молния.
3. Огни святого Эльма.
4. Методы защиты от молний.
5. Современные методы управления молнией.
6. Электрический заряд планеты Земля.

Приложение 1.

Список литературы.

1. Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией// "Успехи физических наук", том170(7), 2000.-с.753-769.
2. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния (Пер. с англ. под ред. Елецкого А. В.) М.: "Мир",1983.-288 с.
3. Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы // "Успехи физических наук", 171(11), 2001.-с.1178-1199.
4. Имянитов И. М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы М.: Техн.-теор.лит.,1957.-344 с.
5. Корум К. Л., Корум Дж. Ф. Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры // "Успехи физических наук", том160(4), 1990.-с.47-58.
6. Мейсон Б. Дж. Физика облаков Л.: Гим. Изд-во,1961.-544 с.
7. "Практикум по физике в средней школе", - под ред. Бурова В.А., Дика Ю.И., М.:"Просвещение", 1987.-190 с.
8. Смирнов Б. М. Физика шаровой молнии // "Успехи физических наук", том160(4), 1990.-с.1-45.
9. Тверской П. Н. Курс метеорологии Л.: Гим. Изд-во,1962.-700 с.
10. Хргиан А. Х. Физика атмосфер М.: МГУ, 1986.-644 с.
11. Шонланд Б. Полет молнии (Пер. с англ.- под ред. Имянитова И. М.) М.: Гим. Изд-во,1970.-184 с.

Интернет-источники.

1. http://www.cultinfo.ru
2. http://www.sibpatent.ru
3. http://www.colan.ru
4. http://www.rubatech.ru
5. http://www.skywatching.net
6. http://meteoweb.ru
7. http://www.neword.ru
8. http://www.savelife.ru
9. http://www.oval.ru
10. http://www.phys.nsu.ru