“Природа создала человека для того, чтобы иметь наблюдателя, поэтому смысл человеческого существования заключается в познании окружающего мира. Это познание может быть и чувственным и рациональным. Его объектом может быть окружающий мир и сам человек как часть этого мира”. С. А. Чандаева. [1]
Физика, как одна из фундаментальных наук о природе, имеющая богатую историю становления и развития, является частью всей современной культуры и имеет многочисленные связи с другими науками. Это обуславливает возможность использования этих связей в процессе обучения физике для всестороннего развития всех познавательных интересов учащихся. И самое главное, позволяет показать учащимся единство законов природы, значение физики для объяснения явлений природы, раскрыть в новой ситуации, изучаемые в физике явления и тем самым расширить кругозор учащихся и повысить интерес не только к физике, но и к другим предметам школьного курса.
Один из способов осуществления межпредметных связей заключается в использовании на уроках физики материала гуманитарного содержания. Наполнение курса физики проблематикой гуманитарного содержания позволяет акцентировать внимание учащихся на гуманистическом аспекте научного мировоззрения и служит решению общеобразовательных, общекультурных и нравственных задач. А также даёт учащимся возможность узнать о философских аспектах связей человека и природы, познакомиться с тем, как физика отвечает на “вечные вопросы” человечества.
Вместе с тем гуманитаризация курса физики способствует более убедительной мотивации изучения физики путем рассмотрения физических возможностей человека, его места в окружающем мире и роли, которая ему отведена в эволюции Вселенной. Полученные учениками знания помогут им более осознано применять на практике физические законы, оптимально и безопасно для жизни действовать в реальном мире.
Использование материала гуманитарного содержания:
- позволяет показать учащимся многообразные связи физики и человека;
- дает возможность раскрыть диалектику связи человека и природы;
- дает возможность определить место человека в окружающем мире;
- раскрывает суть процесса познания человеком природы и себя как ее составной части;
- показывает антропоцентрический характер процесса познания.
Характер материала гуманитарного содержания таков:
- тексты, раскрывающие те или иные гуманитарные идеи;
- таблицы, отражающие характеристики окружающего мира и человека;
- качественные и количественные задачи;
- практические задания.
Электрические явления. Электризация тел.
Урок на эту тему можно начать с вопроса: “Где живет электричество?” Конечно, все учащиеся прекрасно знают, где оно живет: в проводах линии электропередач, в комнатной электропроводке, в батарейке карманного фонарика, в аккумуляторе сотового телефона и т.д. Но все это электричество домашнее, ручное. Человек его изловил и заставил работать на себя. Оно накаляет электроплиту и утюг, сияет в лампочке, гудит в электродвигателе, весело распевает в плеере.
А есть на свете электричество дикое, неприученное. Такое, которое живет само по себе?
Да, есть. Оно вспыхивает ослепительным зигзагом в грозовых тучах. Оно светиться на мачтах кораблей в душные тропические ночи. Тихое, незаметное, оно живет всюду. Мы часто держим его в руках и об этом не знаем. Но его можно обнаружить.
Если взять пластмассовую расческу и провести ею по чистым сухим волосам, можно услышать слабое потрескивание. Причесываясь в темноте, можно даже увидеть крошечные электрические искорки. Затем, поднося расческу к маленьким клочкам бумаги, можно наблюдать, как они будут притягиваться к ней. Что изменилось? Только одно: расческа наэлектризовалась (волосы то же – можно проверить). Значит притяжение вызвано электричеством.
“Вспомните, когда вы еще сталкивались с подобными явлениями?”
Велика роль статического электричества, возникающего при трении, в производстве и быту:
- на текстильных фабриках наэлектризованные нити прилипают к гребням и при этом путаются и часто рвутся; для борьбы с этим явлением в цехах создают повышенную влажность воздуха;
- электризация наблюдается и при трении между жидкостями и твердыми телами, поэтому бензовозы должны быть заземлены;
- электризация искажает показания измерительных приборов.
Наряду с этим статическое электричество имеет ценные практические применения:
- ксерокс;
- электрофотография;
- очистка зерна;
- смешение разнородных металлов;
- напыление порошков и т.д.
Электрическое поле Земли.
Среда обитания человека, представляющая собой поверхность нашей планеты, характеризуется многими параметрами: температурой, освещенностью, обусловленной рассеянным солнечным светом, газовым составом атмосферы и т.п. Одним из важнейших ее параметров является электрическое поле.
Электрическое поле Земли образовано зарядом поверхности и зарядами, сосредоточенными на некоторой высоте в атмосфере Земли. Поверхность земного шара несет отрицательный заряд, по модулю равный 6 • 105 Кл.
Насколько велик электрический заряд нашей планеты? Для сравнения можно рассчитать:
“За какое время через обычную лампу накаливания мощностью 60 Вт, включенную под напряжение 220 в, протекает электрический заряд, численно равный по модулю заряду Земли?” Ответ: 25 суток – получается, что этот заряд не очень велик.
“Определите количество избыточных электронов, создающих заряд поверхности земного шара”
“Насколько уменьшилась бы масса Земли, если бы было возможно удалить с ее поверхности весь электрический заряд? Ответ: всего лишь на 6 мг.
Отрицательный заряд нашей планеты непостоянен. Сток заряда с ее поверхности в атмосферу происходит за счет хорошей проводимости приземного слоя воздуха, а в возвращении заряда на поверхность большую роль играют молнии – красивое и небезопасное явление природы.
В середине XVIII в. великий русский ученый М.В. Ломоносов с помощью опыта доказал, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра. Ломоносов построил “громовую машину”, которая заряжалась атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был поднят на высоком шесте. Во время грозы можно было рукой извлекать из “грозовой машины” искры.
Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то меду ними проскакивает молния. Однако грозовой разряд может произойти между облаком и Землей, если они имеют противоположные заряды. Напряжение при этом может достигать сотен миллионов вольт. Ежесекундно над Землей вспыхивает около сотни молний, причем каждая молния несет заряд, равный 10–50 Кл. Молния может поразить людей и привести к пожару зданий.
Недооценивать опасность, возникающую при вспышке молнии, нельзя.
Например, от разряда молнии при проведении опыта погиб профессор Рихман, работающий совместно с Ломоносовым. После этого возникла идея устройства громоотвода (правильнее молниеотвода). Громоотводы быстро вошли в практику.
Масштабность и опасность красивейшего явления природы – молнии, можно проиллюстрировать с помощью следующих задач и вопросов:
“Длительность молнии примерно 0,001 сек., при этом она несет заряд, равный 30 Кл. Определите силу тока в молнии” Ответ: 30 кА
“Заряд, переносимый на Землю разрядом молнии при напряжении 40 Мв, составляет 40Кл. Сколько при этом выделяется энергии? Какое количество воды, взятой при 0о С, можно было бы довести до кипения за счет этой энергии?” Ответ: 3 800 кг
“Живое” электричество.
Оказывается, что все функции нашего организма обеспечиваются электрическим взаимодействием. Работа мышц, в том числе дыхательных и сердца, контролируется электрическими токами. Информация, полученная разными органами чувств, передается в мозг с помощью электрических сигналов. Основную роль в возникновении “живого” электричества играют мембраны (оболочки) клеток. Они представляют собой жидкие пленки толщиной 7–15 нм, состоящие из жироподобных веществ. На поверхности мембраны клетки существует двойной слой зарядов. Мембраны обладают избирательной пропускной способностью: они пропускают ионы одного вещества и не пропускают ионы другого, в результате чего устанавливается динамическое равновесие, так называемый потенциал покоя.
Электрические сигналы, поступившие в тело человека, распространяются вдоль аксонов – длинных выростков нервных клеток (нейронов). При воздействии на аксон механическим, химическим или электрическим способом, он приходит в возбужденное состояние. За доли секунды увеличивается проницаемость мембраны для положительных ионов, что приводит к нарушению равновесия и возникновению нервного импульса.
Можно рассчитать среднюю скорость передачи сигналов в теле человека.
Среднее время реакции человека составляет 0,1–0,2 секунды. Это время складывается из времени передачи информации от какого-либо рецептора в мозг и времени передачи командного импульса мышцам. У человека средняя длинна пути, по которому идет сигнал к мозгу и обратно, составляет примерно 2 м. Тогда скорость будет равна 20 м/с. Этот результат показывает, почему было трудно бороться за существование гигантским животным нашего мира – динозаврам. Ведь при их размерах сигнал, идущий с такой скоростью, шел бы слишком долго, информация об опасности сильно запаздывала. <Приложение 2>
Электричество можно попробовать “на вкус”, коснувшись языком клемм батарейки на 1,5 В. Какой ток будет проходить при этом через вас? Почему это происходит?
Слюна человека хорошо проводит электрический ток. Изготовленные из разных металлов коронки зубов человека могут сыграть роль электродов гальванического элемента, слюна – роль электролита. Такой необычайный источник тока может питать микроприемник радиоволн, вмонтированный в дупло зуба. Преимущество такого устройства – оно всегда будет с вами.
Сила тока в несколько миллиампер может вызвать болевые ощущения, но редко бывает, опасна для здоровья.
Одной из опасных разновидностей электротравм является поражение так называемым шаговым напряжением, которое возникает в зоне оборвавшегося провода линий электропередач высокого напряжения, и может действовать на расстоянии сотен метром от упавшего провода. Шаговое напряжение относительно Земли составляет 50 кВ и больше.
Электротравмы со смертельным исходом составляют 10–15% от общего количества травм с тяжелым исходом. Общее количество погибших от электрического тока в год в среднем оценивается в 22–25 тысяч человек. Чтобы предохранится от поражения электрическим током, надо знать, какую опасность он представляет, а также выполнять, в общем-то, несложные правила безопасности.
Электромагнитные явления. Магнитное поле Земли.
В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю гигантского магнитного диполя, расположенного в центральной части земного шара. Ось магнита не совпадает с осью вращения Земли: она наклонена к последней на 110. Вследствие этого Южный магнитный полюс расположен на севере Канады на острове Элсмир (810 с.ш. и 850 з.д.), а Северный – на Земле Уилкса в Антарктиде (750 ю.ш. и 1200 в.д.).
Природа земного магнетизма объясняется тем, что ядро Земли состоит из двух частей: внешняя часть находится в жидком состоянии и обладает электропроводностью, а внутренняя часть – твердая. При вращении Земли вокруг собственной оси жидкий слой внешней части
позволяет мантии и твердой коре вращаться быстрее внутреннего ядра. В результате электроны в ядре движутся быстрее электронов в мантии и коре. Это и создает магнитное поле, аналогичное полю катушки с током.
Магнитное поле Земли непостоянно во времени. Примерно каждые 200 тыс. лет у него изменяется полярность на 1800. Северный магнитный полюс становится Южным и наоборот.
Долгое время считалось, что магнитное поле Земли распространяется во все окружающее Землю пространство и исчезает на бесконечно большом расстоянии от планеты. Однако полеты спутников и космических ракет показали, что это не так. Сторона магнитосферы, обращенная к Солнцу, простирается всего лишь на 6–8 радиусов Земли, поскольку подвергается непрерывному “обжигающему” воздействию солнечного ветра – огромным потокам заряженных частиц, летящих от Солнца. С противоположной – ночной – стороны магнитосфера простирается примерно на расстояния до 1000 радиусов планеты, где перемешивается с межпланетным магнитным полем. В области магнитных полюсов Земли образуются нейтральные точки, вокруг которых существуют воронкообразные области слабого магнитного поля – полярные каспы.
Магнитное поле Земли, как гигантская ловушка, удерживает в ближайшем от планеты космическом пространстве огромные потоки заряженных частиц, пришедших от Солнца или даже из далекого космоса. Эти частицы могут просачиваться внутрь магнитосферы, образуя так называемые, радиационные пояса. Чем больше энергия частиц, тем дальше внутрь магнитосферы они проникают.
Частицы движутся в радиационном поясе – перемещаются или дрейфуют вокруг земного шара: положительно заряженные частицы - на восток, а отрицательно заряженные – на запад. В результате в магнитосфере возникает ток, который оказывает влияние на магнитное поле Земли.
Астрофизические исследования, особенно осуществленные с помощью космических аппаратов, показали, что почти у всех планет Солнечной системы, кроме Венеры и Луны, имеются сильные магнитные поля. Также было установлено наличие магнитных полей у многих звезд.
Небольшое магнитное поле есть и у Солнца. Сильные магнитные поля имеются лишь в активных областях Солнца – так называемых солнечных пятнах. Образование солнечных пятен связывают с выходом внутреннего магнитного поля светила на его поверхность.
Время существования пятен – несколько недель. Количество пятен, их положение и полярность на диске Солнца изменяются с периодом 11,2 года – периодом солнечной активности.
Экстремальным проявлением активности Солнца являются хромосферные вспышки, возникающие в результате быстрой перестройки магнитных полей. Вырывающиеся за пределы солнечной короны быстрые заряженные частицы создают так называемые корпускулярные потоки. Достигнув магнитосферы Земли, они вызывают многочисленные геомагнитные эффекты: магнитные бури, полярное сияние, нарушение радиосвязи и др.
Почему заряженные частицы, приходящие из космоса, чаще достигают поверхности Земли вблизи полюсов, чем в более низких широтах?
Уже очень давно, с XVI века, известно, что вертикально стоящие железные оконные решетки с течением времени намагничиваются. Объясните это явление. На каком конце вертикального прута – верхнем или нижнем – возникает северный полюс, и на каком – южный?
В северном полушарии: внизу будет находиться северный полюс, наверху – южный.
В книге одного из известных исследователей земного магнетизма Джильберта описан следующий опыт. Если бить молотком по железной полосе, расположенной с севера на юг, то полоса намагнитится. Объясните это явление. Где будут расположены на полосе северный и южный полюсы?
На конце полосы, обращенной к северу, возникает северный полюс, на другом конце – южный.
Самопроизвольное намагничивание железных предметов в магнитном поле Земли было использовано для устройства магнитных мин, которые устанавливаются на некоторой глубине под поверхностью воды и взрываются при прохождении над ними корабля. Как действовали такие мины? Предложите способы борьбы с магнитными минами.
Оптика. Особенности зрения человека.
Одним из самых совершенных “приборов”, которым природа снабдила человека и животных, является глаз. Большую часть информации (80%) человек получает через глаза. Наши глаза специально предназначены для того, чтобы снабдить нас информацией о глубине, расстоянии, величине, движении и цвете. К тому же они способны двигаться вверх, вниз и в обе стороны, давая нам максимально широкий обзор.
Благодаря тому, что наш глаз обладает способностью быстро поворачиваться в глазной впадине, за очень короткое время, обегая все точки видимой поверхности рассматриваемого большого объекта, поле ясного видения человека составляет примерно до 1500 по горизонтали и до 1200 по вертикали. При этом человек оказывается способным воспринимать широкое поле с малым количеством деталей и небольшой участок поля с большим количеством деталей. Это обстоятельство очень важно с точки зрения безопасного существования человека, так как позволяет в каждый момент времени фиксировать внимание на большом количестве объектов, одновременно менее детально ориентируясь (не выпуская из поля зрения окружающие предметы). С возрастом поле зрения увеличивается. Особенно резко это происходит в детском возрасте: например, за период от 6 до 7,5 лет поле зрения ребенка возрастает в 10 раз.
Хотя само по себе зрение двумя глазами – норма для живого мира на Земле, у человека оно имеет специфическую особенность: за счет уменьшения расстояния между глазами происходит перекрытие их полей зрения, обеспечивающее, в конечном счете, стереоскопичность зрения человека. Благодаря этой возможности человек имеет возможность оценивать расстояние до наблюдаемого объекта.
С особенностью зрения двумя глазами связан эффект “борьбы полей зрения”. Он заключается в следующем. Когда на идентичные участки сетчатки правого и левого глаз попадают различные изображения, человек видит лишь одно из них, а не суммарный эффект.
Вообще, процесс зрения представляет собой очень сложный акт, в ходе которого определенную роль играют память, восприятие других органов и т.д. В ряде случаев воспринимаемые геометрические соотношения между объектами не соответствуют их действительным геометрическим соотношениям.
Мозг как бы корректирует работу глаз, и это понятно: живое существо нуждается в правильном представлении об окружающем мире, а не в правильных оптических изображениях. В том, что мозговая корректировка существует, свидетельствуют также многочисленные примеры “ошибок”, или “обманов зрения” (см. рисунки на следующей странице).
Важное свойство зрительного восприятия человека – видение в цвете – объясняет теория цветового видения. Эта теория исходит из того, что в глазу есть три типа светочувствительных приемников, отличающихся друг от друга разной чувствительностью к разным частям спектра – красной, зеленой и сине-голубой. Цветовое ощущение возникает в колбочках. Глаз обычного человека может различать около 160 цветов.
Тренированный глаз художника в состоянии различить свыше 10 000 цветных тонов.
Встречаются люди (более 1% мужчин и около 0,1% женщин), зрение которых характеризуется отсутствием приемников одного из указанных выше типов. Еще реже (примерно один на миллион) встречаются люди, у которых есть приемники лишь одного типа.
Первая группа людей – дихроматы – различают меньше цветов, чем люди с нормальным зрением; вторая – монохроматы – совсем не различают цвета.
Цвет многое значит в нашей жизни. Механизм цветового воздействия неясен, хотя накоплено множество интересных фактов. Известно, что красный цвет возбуждает, черный угнетает, зеленый успокаивает, желтый создает хорошее настроение.
Способность человеческого организма реагировать на цвет – основа одного из направлений натуртерапии – лечение природными средствами. Доказано, что черный цвет может замедлить течение инсульта и малярии, красный помогает при лечении бронхиальной астмы, кори, рожистых заболеваний кожи, голубой замедляет пульс и понижает температуру. Больным с глаукомой полезно носить очки с зелеными стеклами, а гипертоникам – с дымчатыми. Исследования показали, что при красном свете снижается слуховая чувствительность человека, а при зеленом отмечено ее повышение. “Холодные” тона стимулируют белковый обмен, а “теплые”, наоборот, тормозят. Если школьный класс окрасить в белый, бежевый или коричневый тона, то улучшится успеваемость и дисциплина учащихся. В производственных помещениях, окрашенных в голубой и бежевый цвета, повышается производительность труда.
Глаз человека по-разному реагирует на свет различного цвета. Он обладает избирательной чувствительностью к цвету: максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра. Источник фиолетового цвета должен быть в 2500 раз более мощным, чем источник желто-зеленого, чтобы создаваемые ими освещенности казались человеческому глазу одинаковыми. В той же ситуации источник красного цвета должен быть в 20 000 раз более мощным.
Ученые часто считают глаз выдвинутой вперед частью головного мозга, своего рода “окном” в сознание. С этим трудно не согласиться: ведь сетчатка и зрительный нерв представляют собой вещество со свойствами вещества мозга. Сеть кровеносных сосудов, питающих глаз, почти в 2 раза больше, чем в любом другом органе. Процесс создания зрительных образов начинается в глазу и продолжается в мозге человека.
Совершенство глаза как оптического прибора проявляется и в его размерах: столь сложное устройство разместилось в очень малом объеме - 6 • 10-4 м3.
Литература
- Чадаева С.А. Физика человека. – М., 1994.
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике. – М., 2005.
- Мэрион Дж. Б. Общая физика с биологическими примерами. – М., 1986.
- Смирнов Ю.И. Мир физики. – СПб., 1995.
- Степанова Г.Н. Сборник вопросов и задач по физике. 10/11 кл. – СПб., 2005.
- Степанова Г.Н. Сборник вопросов и задач по физике. 7/8 кл. – СПб., 2006.
- Тулькибаева Н.Н., Пушкарев А.Э. Задания по физике. – М., 2003.
- Белков К.П., Бочкарев Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе. – М., 1989.
- Малойнов В.Е. Электричество и человек. – Л., 1995.
- Вавилов С.И. Глаз и зрение. – М., 1996.
- Беркенблит М.Б., Глагольева Е.Г. Электричество в живых организмах. – М., 1995.