Стакан с водою, в потенциале, обладает
бесконечно большим количеством
энергии и проблема человека в том,
сможет ли он эту энергию использовать?
Эйнштейн
Введение
Я представляю вашему вниманию интегрированный урок «Живая энергетика России». Проведение интегрированных уроков по географии, физике и биологии стало традицией в нашей школе. Основные цели, которые я преследую при этом, - изучение нового материала на более глубоком уровне, повышение познавательной активности учащихся, расширение их кругозора, приобретение навыков работы с научной литературой, компьютером и лабораторным оборудованием. На этих уроках мы стараемся продемонстрировать единство законов природы, тесную связь предметов естественнонаучного цикла.
Пролог (сценка)
Ночь. Горит костер. Надвигается гроза .У костра два грека: Антонас и Спартак.
Спартак: Как сердит сегодня Повелитель богов – Зевс! Видишь, Антонас, как часто он посылает на землю свои ослепительные стрелы. Слышишь, как он рычит при каждом броске своего трезубца. Я весь дрожу от страха и не знаю, куда бы мне спрятаться.
Антонас: Разве можно спрятаться от Бога Молний! Помнишь, Спартак, как в день олимпийских игр он поразил своим огненным трезубцем Зеро? А ведь тот спрятался под огромным дубом. Но бог не тронул никого из нас, хотч мы были у него на виду, под открытым небом.
Спартак: Потому - что он и поразил его: Зеро всегда пряталсч от опасности и выжидал, когда мы устанем, чтобы вырвать у нас победу.
Антонас: Да…. Боги все видят и все знают!
Учитель: Вот такой разговор мог произойти в то незапамятное время, которое мы называем древним миром. Тогда все явления природы человек воспринимал, как проявление неведомых сил, постичь, которые он был не состоянии. Он боготворил их, преклонялся перед ними. Одной из таких сил, грозной и таинственной , было электричество.
Прошли века. Человечество неузнаваемо изменилось. Ему стали понятны многие явления природы. А электричество стало настолько близким, что вошло в каждый дом. Без электричества жизнь современного общества невозможна. Она производится на электростанция различных типов и самой природой:
Каждый из них имеет свои технико-экономические особенности и факторы размещения, положительные и отрицательные стороны.
Итак, послушаем приглашённых гостей (учеников)
Основная часть
Выступление специалистов.
Представитель от ТЭС. Тепловая электрическая энергетика – ведущее направление электроэнергетики. ТЭС (теплоэлектростанция) обладает крупными достоинствами. Она работает на разных видах топлива. Поэтому её можно строить в различных районах страны. Стоимость и время строительства ТЭС невелики, а мощность может быть очень большой, что позволяет получить дешёвую электроэнергию. Крупнейшая ТЭС страны – Сургутская (4,8 кВт).
Размещение ТЭС зависит от качества топлива, на котором они работают. Топливо низкого качества (торф, сланцы, бурый уголь) перевозить на большие расстояния невыгодно. В этих случаях ТЭС создают непосредственно в районах его добычи – Кузбасс, Канско-Ачинский бассейн. Высококачественное топливо (природный газ, мазут) можно транспортировать далеко. Поэтому его используют на ТЭС, построенных в районах с большим потреблением электроэнергии – Европейский центр и другие.
Особая разновидность тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На них, помимо электроэнергии, вырабатывается тепло (горячая вода, пар). Они строятся непосредственно в крупных городах.
Эколог. Установлено, что около 90% электроэнергии в мире (в Российской Федерации 80%) производится на ТЭС. Для этого ежегодно сжигается порядка 7 млрд. тонн условного топлива. При этом коэффициент полезного действия тепловых электростанций составляет всего 40%. Следовательно, 60% тепла от сжигания топлива рассеивается в окружающей среде, в том числе при сбросе теплой воды в водоемы. По приведенным данным можно легко представить масштабы теплового загрязнения биосферы.
Представитель от ГЭС. Гидроэнергетический потенциал России использован сейчас только на 18%. Это гораздо меньше, чем в других странах: во Франции – 90%, в Германии, Швеции -65-90%, в США, Канаде, Бразилии – 45-65%, в Китае, Индии – 20- 45%. Подавляющая часть российского гидроэнергетического потенциала сосредоточена в Восточной Сибири (41%) и на Дальнем Востоке (35%).
ГЭС наиболее выгодно строить на реках с большим падением и расходом воды. Их главное достоинство – использование возобновимого вида энергоресурсов кроме того, ино производят самую дешёвую электроэнергию. Работа ГЭС позволяет экономить 60 млн. тонн топлива в год. Мощность крупнейших ГЭС больше, чем крупнейших ТЭС – Саянская – 6,4 млн.кВт, Красноярская – 6 млн.кВт. накрупнейших реках России: Волге, Енисее, Ангаре построены каскады ГЭС.
Эколог. Однако крупные ГЭС дороги, долго строятся (15-20 лет) и наносят окружающей среде непоправимый урон. Их работа требует создания крупных водохранилищ, вода из которых используется в промышленности, сельском хозяйстве, населением. Водохранилища затапливают ценные земли, изменяют гидрологический режим и климат прилегающих территорий, уничтожают плодородные пастбища. Вода, прошедшая через турбину, становится «мертвой», так как в ней погибают все микроорганизмы. Каскады ГЭС снижают скорость течения воды. Это способствует большому загрязнению рек, нарушает естественные миграции рыб, затрудняют хозяйственные связи между берегами. Построенные в советское время ГЭС устарели, они требуют капитального ремонта. Так, на Саянской ГЭС из-за поломки шлюза произошла трагедия, унесшая человеческие жизни и нанесшая большой ущерб окружающей среде.
Представитель от АЭС. Мощность атомных электростанций (АЭС) и производство электроэнергии на них постоянно растут. Из 1 килограмма ядерного топлива (уран, плутоний) выделяется столько же энергии, сколько образуется при сжигании 3000 тонн каменного угля. Для работы ядерного реактора в течении нескольких лет достаточно загрузить в него 20-30 тонн ядерного топлива. Поэтому АЭС строят в районах, где нет достаточных энергетических ресурсов или они дороги, но электроэнергии требуется много, например в европейской части России, на Чукотке. В России работает девять крупных АЭС: Курская (4 млн кВт), Смоленская, Кольская, Тверская, близ Санкт-Петербурга, в Поволжье – Балаковская, на Урале –Белоярская. Предполагается построить ряд АЭС нового типа в Центре и на Дальнем Востоке.
Эколог. Главные проблемы, возникающие в ходе работы АЭС – это обеспечение радиационной безопасности, переработка и хранение радиоактивных отходов. При работе АЭС выделяется безопасный для людей радиоактивный газ криптон -85, который имеет полураспад 13 лет. В то же время он ионизирует воздух и загрязняет окружающую среду.
Загрязнение природной среды начинается с момента извлечения из рудников урановой руды, которую направляют на обогатительную фабрику. В процессе обогащения руды ураном образуется и накапливается большое количество радиоактивных отходов. Уже в 2009 году в мире накопилось около 800 млн. тонн отходов, которые будут излучать альфа-, бета- и гамма- излучения в течении миллионов лет. Избавляются от этих отходов путём закапывания в землю, однако грунтовые воды способны распространять радиоактивные элементы на большие расстояния.
Учитель. Неужели у нас все так плохо? А нельзя ли нам обойтись без ТЭС, ГЭС и АЭС ? можно. Будущее за нетрадиционными источниками энергии. Они более дешевые, быстро строятся, не загрязняют окружающую среду. К ним относятся уже известные всем источники: солнечная, геотермальная, ветровая, приливная, биогаз и биомасса. Добавился новый биологический источник энергии – мембранное электричество. Сегодня поговорим о нетрадиционных источниках энергии, которые можно использовать у нас в Татарстане.
Ученик. Солнечные батареи можно использовать у нас с марта по октябрь включительно. В зимнее время здесь очень часто дуют сильные ветра – энергию ветра, в затишье – отходы от скота (навозная жижа). Ещё в 1993 году Ирил Исханов (инженер-механик) разработал экологически чистую установку преобразования энергии ветра и воды в энергию электрическую. Его установка напоминает лопастный ветряк. Материалы, из которых изготовляется установка самые доступные. При регулярном осмотре и профилактических работах установка сможет надежно работать 15-20 лет. Мощность ее от 0,250 до десятков и сотен киловатт, ведь можно модель построить большую и малую.
Учитель. Что же собой представляет мембранное электричество?
Сценка. (Перед нами лаборатория университета. В ней за чашкой кофе спорят два представителя науки: Оптимист и Скептик)
Оптимист: Ты уже читал? Сенсация? Удалось показать наличие мембранного потенциала в живой клетке!
Скептик. Не читать, не писать я не буду. Во-первых, я там ничего не пойму, а во-вторых, ничего значительного не вижу в этих исследованиях. Измеряют, изменяют биотоки то в одной части тела, то в другой. А кто скажет, какое это имеет значение?
Оптимист. Погоди, мне известны такие случаи, что ты изменишь свое мнение.
Скептик. Вот как! Приведи примеры.
Оптимист. Для чего растениям нужен солнечный свет?
Скептик. Давай договоримся: говорить по существу. Ответ на этот вопрос хорошо известен биологам – для фотосинтеза.
Оптимист. Могу с тобой поспорить. Сегодня на этот вопрос отвечают иначе. Солнечный свет нужен для того, чтобы поддерживать электрический мембранный потенциал. Создать аккумулятор энергии!
Скептик. Ну, это ты хватил! Значит, разводи в квартире растения, выставляй их в солнечный день на балкон, соединяй последовательно и вот тебе источник электричества.
Оптимист. Зря иронизируешь. Про батарейку из растений не слышал, но точно знаю некоторые данные из жизни гапофильных бактерий, обожающих соленую воду. В среде, где обитают эти пурпурные бактерии, профессор Стокениус из Калифорнии при облучении их светом обнаружил таинственное появление положительных зарядов. А ученый Пакер даже собрал их на батарейку. Электрическая лампочка, подключенная к такой батарейке, горела целых 90 минут, а вся система сохраняла свою «боеспособность» в течении 6 месяцев.
Скептик. Что-то неладно получается. Появился новый источник энергии? Где результаты официальных испытаний?
Оптимист. Еще в 1978 году английскому ученому Питеру Митчеллу была присуждена Нобелевская премия за открытие в области мембранного электричества.
Скептик. В чем состоит его открытие?
Оптимист. Вот, почитай.
Скептик. «Хемо-соматическое сопряжение Митчелла. При окислении питательных веществ дыхательной цепью митохондрии происходит разделение электронов по разные стороны мембраны…». Нет, я же говорил тебе, что ничего не пойму, и уверен, что среди присутствующих не найдется человека, который бы повторил или объяснил смысл прочитанного. Может быть, ты нам расскажешь, что понимают под мембранным электричеством?
Оптимист. Ну, хорошо, слушай. В организме имеются специальные вещества – ферменты, которые осуществляют в определенном порядке химические превращения питательных веществ. По Митчеллу, каждый из ферментов дыхательной цепи – это миниатюрный генератор электрического тока, способный самостоятельно зарядить мембрану. Согласно этой гипотезе, цепь переноса электронов можно представить как насос, перекачивающий ионы водорода. Этот процесс ведет к появлению трансмембранного электрического потенциала – наружная сторона мембраны оказывается электроположительной. Ионы водорода вновь устремляются из окружающей среды внутрь клетки, но на этот раз благодаря электрическому полю. Этот переход сопровождается выделением свободной энергии, за счет которой синтезируется АТФ. Таким образом, электрическая энергия становится унифицированной формой энергии в клетке и, следовательно, жизнь клетки непосредственно связана с электричеством.
Скептик. Но мембранный потенциал клетки – это только гипотеза Митчелла!
Учитель. Спор продолжается…..
Мы рассказали лишь о некоторых факторах науки, о наиболее интересных экспериментах, убедились, что окончательных побед не бывает. Открыто и сделано много, но предстоит сделать ещё больше!
Вашему вниманию предлагаю электровикторину. Я буду задавать вопросы. Если вы знаете ответ, то поднимайте руку. На каждый правильный ответ загорится лампочка.
Вопросы:
- Ученый – изобретатель электроскопа (Дюфе).
- ученый, открывший основной закон электростатики (Кулон).
- Ученый – основоположник биоэлектричества (Гальвани).
- Ученый, впервые создавший теорию атмосферного электричества (Ломоносов).
- Ученый, разработавший теорию мембранного потенциала (Митчелл).
- Ученый, открывший закон постоянного тока (Ом).
В заключении урока хочу сказать вам, что звание – ЭНЕРГЕТИК, почетна во все времена!
Мы ценим к энергетике призвание,
Но избранный суров ориентир-
Без интеллекта, нравственности, знаний
Разрушить можно в одночасье мир.Пред обществом ответственности бремя
Над нами как дамоклов меч весит.
Похоже, что лихое наше время
Реформами не раз ошеломит.
Мгновенья полноценной жизни нашей
Тепло и свет бессменно стерегут,
И потому мы день и ночь на страже-
Талант и честь по жизни нас ведут.Да, энергетик пашет без отбоя,
Он светоносный магии эстет,
Гарант благополучия, покоя
И бог, несущий в темень яркий свет.Почетно это званье – энергетик,
И счастлив тот, кто эту честь познал.
Да здравствует ученый тот генетик,
Что ген моей профессии создал!
(Р.Г. Айсин)
Учитель. Наш урок завершен. Мы совершили небольшое путешествие по истории электричества и как бы заново «открыли» некоторые его законы. Мы убедились, какую большую роль играют электрические явления в природе. И в настоящее время можно утверждать, что электричество – живая, продолжающаяся развиваться интереснейшая область знания о природе!
Домашняя работа.
Следующий урок у нас практическая работа по изготовлению макетов – лопастного ветряка и солнечных батарей. Разделиться на две группы. Списки подать учителю.