Программа элективного курса по физике "Энергетика вчера, сегодня, завтра"

Пояснительная записка

На уроках физики в 7–11-х классах вопрос “Энергия, её превращение, сохранение, источники, производство, передача и использование” изучается разрозненно. Отсутствуют конструкторские практические работы по данной теме. Учебный материал не раскрывает исторической панорамы поиска энергии и новых возможностей её получения и использования. Поэтому возникает необходимость систематизации, обобщения, углубления знаний учащихся по данному вопросу, приобретения учащимися конструкторских навыков.

Элективный курс “Энергетика вчера, сегодня, завтра” ориентирован на школьников 9 класса, проявляющих интерес к изучению физики и собирающихся продолжить обучение в учебных заведениях технического и естественнонаучного профиля, то есть обеспечивает преемственность между общим и профессиональным образованием. Позволяет системно рассмотреть вопрос об энергии, её превращении, сохранении, источниках, производстве, передаче и использовании.

Программа курса рассчитана на 34 часа. Практические работы и демонстрационный эксперимент составляют 71% учебного времени (практические работы 44%, демонстрационный эксперимент 27% учебного времени).

Изучение курса предполагает использование различных методов активизации познавательной деятельности учащихся, в том числе выполнение исследовательских практических работ, решение исследовательских задач, изготовление и изобретение моделей.

Целью курса является систематизация, обобщение и углубление знаний о способах получения и использования энергии; применение знаний в исследовательской и конструкторской деятельности.

Реализация программы данного курса позволяет решить следующие задачи:

– вооружить учащихся системой физических знаний о способах получения и использования энергии;
– способствовать развитию конструкторских навыков учащихся при выполнении конструкторских практических работ, проектов;
– способствовать формированию познавательного интереса к физике и технике, развитию творческих способностей учащихся;
– формировать навыки работы со справочной и научно-популярной литературой.

Изучение курса позволит учащимся систематизировать, обобщить и углубить знания об истории открытия и развития различных источников энергии; перспективах и проблемах различных способов получения энергии, возникающих при их использовании; возможностях сокращения вредного воздействия производства и потребления энергии на окружающую среду.

Освоение программы курса позволит учащимся приобрести следующие умения и навыки:

– применять полученные знания в исследовательской деятельности, при конструировании моделей;
– работать со справочной и научно-популярной литературой;
– оформлять проект, реферат.

Много времени уделяется групповой работе, что способствует формированию умения работать в коллективе, прислушиваться к мнению других.

Программа курса может корректироваться. Учитель, исходя из уровня подготовки учащихся, особенностей школы, класса, может изменять уровень сложности материала, распределять самостоятельно часы, определять содержание учебных занятий. Но приоритетными формами учебных занятий должны стать занятия, предполагающие активную самостоятельную познавательную деятельность учащихся: работа в группах, парах, взаимообучение.

При проведении занятий элективного курса возможно использование диа-, кино-, видеофильмов, ПК, как при изучении общих, так и прикладных вопросов.

Содержание

I. Энергия и возможности её получения (4 ч)

Энергия. Закон сохранения энергии.

Понятие энергии. Источники энергии. Виды энергии. Превращение энергии. Закон сохранения энергии.

Историческая панорама поиска энергии.

Мышцы – источник энергии человека. Получение огня. Приручение животных. Возникновение металлургии (медь, бронза, железо). Эксплуатация рабов. Мельница с колесом, приводимым в движение потоком воды. Парус. Ветряная мельница. “Огненная машина”. Паровая машина. Паровой локомотив и открытие железной дороги. Изобретение электрической батареи, электрического телеграфа, электрической дуги. Открытие электромагнетизма. Создание электрического генератора и электрического двигателя. Строительство разного рода электростанций.

Возможности получения энергии.

Необходимые объёмы производства энергии. Возможности получения и использования энергии. Возможность энергетического и экологического кризисов.

Практические работы:

1. Изучение закона сохранения энергии при бросании тела вертикально вверх.
2. Изучение закона сохранения энергии при взаимодействии тел.
3. Изготовление простейшей модели ветряного двигателя.
4. Изучение элемента Вольта.

Фронтальный эксперимент:

1. Переход одного вида механической энергии в другой.
2. Изменение внутренней энергии при совершении работы и теплопередаче.
3. Демонстрация действия водяной турбины (на модели).
4. Устройство и принцип действия генератора переменного тока (на модели).

II. Энергия и её использование (24 ч)

Энергия ископаемого топлива и её использование (3 ч)

Виды топлива.

Происхождение, добыча, потребление и значение ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ). Объём запасов ископаемого топлива.

Проблема энергетического кризиса. Ископаемые топлива и жизненная среда.

Взгляды геологов, энергетиков, статистов, политиков, монополистов, специалистов на соотношение: потребление энергии – обеспечение её производства. Пути избежания энергетического кризиса. Загрязнение окружающей среды при сжигании топлива и меры по сокращению его вредного воздействия.

Тепловая энергия и ее использование (4 ч)

Температура и теплота.

Объяснение процесса горения (Аристотель, Г. Э. Шталь, М. В Ломоносов, А Лавуазье, Д, Пристли, современные взгляды). Понятие температуры, количества теплоты; I, II, III законы термодинамики. Быстрое и медленное горение. Самовозгорание.

Тепловые двигатели на Земле.

Понятие и принцип действия теплового и парового двигателей. КПД теплового двигателя и паровой машины. Холодильник – тепловой двигатель “наоборот”. Пути совершенствования тепловых двигателей. Паровая турбина (активная, реактивная, комбинированная). Газовая турбина. Двигатель внутреннего сгорания.

Использование двигателей в космосе.

Реактивный принцип действия. Реактивные двигатели: турбореактивный, прямоточно воздушно-реактивный, пульсирующий воздушно-реактивный. Ракетные двигатели и их КПД.

Энергия воды и её использование (3 ч)

Водяной двигатель. Устройство и принцип работы.

Водяное колесо Витрувия. Гидравлические двигатели с верхним, средним, нижним подводом воды. Турбины Френсиса, Каплана, Пелтона.

Энергия гидроэлектростанций.

Классификация гидроэлектростанций по размерам и мощности. Их достоинства и недостатки. Перспективы энергии рек. Гидроэлектростанции и жизненная среда.

Энергия ветра и её использование (3 ч)

Ветер и использование его энергии в прошлом.

Причины возникновения ветра. Характеристики ветра (направление, скорость (сила) по шкале Бофорта). Древнегреческие мифы об использовании энергии ветра, крылья Икара, крылья Эймера из Мальисбери, летающая машина Леонардо да Винчи, безмоторный планер Отто Лилиенталя, ветряные мельницы, ветряные колёса.

Ветроэлектрические станции.

Принцип работы ветроэлектрической станции. Возможности накапливания и сохранения энергии ветра.

Геотермальная энергия и её использование (2 ч)

Современные взгляды на тепловую историю Земли.

Происхождение земного тепла. Энергия вулканов и гейзеров.

Геотермальные электростанции.

Принцип работы геотермальных электростанций. Геотермальные электростанции и охрана окружающей среды. Пути сокращения вредного воздействия геотермальных энергетических систем.

Энергия Солнца и её использование (2 ч)

Особенности солнечной энергии.

Представления древних людей о Солнце (египтяне, греки). Взгляды Декарта, Бюффона, Ломоносова, Лавуазье, Циолковского на использование солнечной энергии. Характеристики солнечной энергии: рассеянность, низкая концентрация. Особенности поглощения и излучения тепловой солнечной энергии тёмными и светлыми поверхностями.

Гелиоэнергетика.

Солнечная печь, солнечная теплоцентраль, башенная солнечная электростанция, полупроводниковые солнечные батареи и электростанции. Солнечное излучение и фотохимические реакции.

Энергия ядерного деления и её использование (3 ч)

Ядерный реактор.

Ядерная реакция. Особенности распада атомных ядер. Понятие, устройство, принцип работы, типы ядерных реакторов.

Атомная энергетика.

Перспективы развития атомной энергетики. Транспорт с атомным двигателем (атомные суда, ледоколы, подводные лодки). Запасы ядерного топлива.

Атомная энергетика и проблемы безопасности.

Ядерные взрывы в мирных целях. Атомная энергетика и жизненная среда. Проблемы захоронения радиоактивных отходов и ликвидации АЭС, отслуживших срок.

Термоядерный синтез и перспективы его использования (2 ч)

Понятие термоядерной реакции.

Понятие плазмы. Условия ядерного синтеза. Понятие термоядерной реакции. Топливо для термоядерного синтеза. Пути овладения термоядерной энергией.

Термоядерный реактор и его возможности.

Возможности использования магнитного поля и лазера для ядерного синтеза. Принцип работы термоядерного реактора и термоядерной электростанции. Жизненная среда и проблема безопасности.

Водородная энергетика и перспективы её использования (2 ч)

Возможности водорода как синтетического топлива.

Современные электростанции, их размещение и передача электроэнергии. Проблемы энергетики. Современные и перспективные методы производства водорода. Достоинства водорода как топлива.

Использование водорода в качестве топлива.

Перевозка и хранение водорода. Водородные топливные элементы в домашнем хозяйстве и космических кораблях. Безопасность работы с водородом.

Практические работы:

5. Изучение различных видов топлива по образцам.
6. Наблюдение горения в кислороде.
7. Изготовление модели паровой турбины.
8. Реактивный двигатель из куриного яйца.
9. Изготовление водяного колеса и плавающей модели лодочки с водяным колесом.
10. Изготовление флюгера.
11. Изготовление модели бумажной и деревянной яхты.
12. Отыскание на физической карте мира местоположение крупнейших вулканов и гейзеров.
13. Изучение явлений поглощения и излучения солнечной энергии темными и светлыми поверхностями.
14. Изучение спектра излучения Солнца (по фото).

Фронтальный эксперимент:

5. Демонстрация модели теплового двигателя.
6. Демонстрация устройства и действия четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания (на модели).
7. Демонстрация принципа реактивного действия.
8. Выставка “Виды топлива”.
9. Моделирование процесса цепной реакции деления ядер на ПК.
10. Моделирование процесса столкновения ядер на ПК.

III. Новые возможности получения энергии (3 ч)

Возможности получения энергии топлива, ветра, Солнца и воды.

Использование растений для выработки тепловой энергии (ферментация, прямое сжигание, пиролиз). Перспективы спирта как заменителя бензина. Возможности получения искусственного жидкого топлива из угля и нефти. Подземная воздушная станция. Солнечные электростанции на искусственных спутниках Земли. Солнечные фермы. Получение энергии за счёт перепада температур между глубинными и поверхностными слоями воды в морях и океанах. Использование энергии приливов и отливов.

Возможности получения электрической энергии, энергий распада и синтеза ядер.

Магнитогидродинамика. Атомный транспорт (автомобили, локомотивы, самолёты). Водородная энергетика.

Практическая работа:

15. Электризация цветка. Электрические явления в растениях.

IV. Презентация проектов, рефератов (2 ч)

V. Заключительный вечер “Физика и энергетика” (1 ч)

Учебно-тематический план элективного курса “Энергетика вчера, сегодня, завтра” представлен в Приложении 1.

Библиография

1. Аджиев М. Э. Энергосберегающие технологии. – М.: Знание, 1990.
2. Алексеев В. В. Солнечная энергетика. Перспективы развития. – М.: Знание, 1991.
3. Алексеев В. В. Экология и экономика энергетики:(Глазами эколога). – М.: Знание, 1990.
4. Берковский Б. М., Кузьминов В. А. Возобновляемые источники энергии на службе человека – М.: Наука, 1987.
5. Веников В. А. Энергетика в современном мире. – М.: Знание, 1986.
6. Володин В. В., Хазарновский П. М. Энергетика. Век двадцать первый. – М.: Дет. Лит., 1989.
7. Горев А. А. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах. Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1977.
8. Жербин Е. А. Мирные профессии нейтронов. – М.: Знание, 1980.
9. Кабордин О. Ф. Факультативный курс физики. 9 класс. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1978.
10. Карцев В. П., Хазарновский П. М. Тысячелетия энергетики. – М.: Знание, 1984.
11. Кащеев В. П., Левадный В. А. Атомная энергия: прошлое, настоящее и будущее. – Минск: Выш. шк., 1984.
12. Кац И. Б. Биофизика на уроках физики: Кн. для учителя: из опыта работы. – М.: Просвещение, 1988.
13. Кирилмен В. А. Энергетика. Главные проблемы: (в вопросах и ответах).– М.: Знание, 1990.
14. Киселёв Г. В. Проблемы развития ядерной энергетики. – М.: знание, 1990.
15. Кузнецова Л. М. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Книга, 1990.
16. Кузнецов В. М. Ядерная опасность: основные проблемы и современное состояние безопасности предприятий ядерного топливного цикла Российской Федерации. – М.: ЭПИцентр, 2003.
17. Ломидзе В. Л. Импульсные ядерные реакторы. – М.: Знание, 1982.
18. Мани Л. Транспорт, энергетика и будущее. – М.: Мир, 1987.
19. Марочек В. И. Пасынки энергетики. (Об использовании энергии ветра, Солнца, океана и др.). – М.: Знание, 1981.
20. Матвеев Л. В., Рудик А. П. Почти всё о ядерном реакторе. – М.: Энергоатомиздат, 1990.
21. Медведев Г. У. Чернобыльская хроника. – М.: Современник, 1989.
22. Петросьянц А. М. Ядерная энергетика. – М.: Наука, 1981.
23. Проценко А. М. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Молодая гвардия, 1987.
24. Смирнов В. Опыты и самоделки по физике. – Ленинград: Детская литература, 1955.
25. Тарасов Б. В. Самоделки школьника. – М.: Просвещение, 1977.
26. Тельделен Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию: Пер. со словац. (Пер. Аркимана М. Я., Под ред.Ю. А. Мазитова; Предисл. Н. С. Лидоренко. – М.: Мир, 1981.
27. Усова А. В., Завьялов В. В. Учебные конференции и семинары по физике в средней школе. – Пособие для учителей. – М.: Просвещение, 1975.
28. Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки. –М.: Энергоатомиздат, 1991.
29. Чаховский В. Хранить теплоту. – М.: Знание: 1990.
30. Шеер Г. Восход Солнца в мировой экономике: стратегия экологической модернизации. (Пер. с нем. М. Н. Терехина. – М.: Тайдекс КО, 2002.
31. Юдасин Л. С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990.