Интегрированный урок-лекция по теме "Биография электрона"

Цели и задачи:

Образовательные:

• познакомить обучающихся с некоторыми приемами систематизации и обобщения знаний при работе с научно-популярной литературой по теме “Электрон”;
• познакомить со структурными элементами теории диалектического познания мира;
• познакомить с историей развития учения об электроне.

Познавательные:

• формировать у обучающихся представления об электроне, о единстве природы, которое позволяет ученикам познать и объяснять физические и биологические явления.

Развивающие:

• развивать у школьников интерес к дальнейшему овладению знаниями об электроне.

План лекции:

1. Основные этапы диалектического познания мира, история познания электрона.
2. Физические характеристики электрона,
3. Применение знаний об электроне в физике и биологии.

Биография электрона.

(Дается в виде таблицы или проектируется на экран).

600 г. до н. э.
– Фалес Милетский – янтарь – электрон

1600 г.
– англичанин У. Гильберт – термин “электричество”.
(Электризация стеклянной палочки.)

1670 г.
– немец Отто фон Герике – электростатический генератор, получил электрическую искру.

1729 г.
– англичанин Стефан Грей – разделение тел на проводники и диэлектрики (изоляторы).

1731—1732 гг.
– француз Шарль Дюфе – два рода электричества (“стеклянное” и “смоляное”);
– американец Бенджамин Франклин ввел термины: “заряд”, “разряд”, “положительный и отрицательные заряды”, “конденсатор”, “батарея”;
– М. В. Ломоносов – электрическое поле.

1785– 1789 гг.
– француз Шарль Огюст Кулон – закон.

1800 г.
– итальянец Алессандро Вольта – источник тока.

1801г. – электролиз.

1806г.
– Гемфри Деви высказал мысль о том, что химические и электрические силы имеют общую природу.

1832 г.
– Майкл Фарадей – число фарадея F = 96500 Кл/моль

1891г.
– ирландец Георг Деонстон Стоней

электрон – минимальная порция электричества.
– Джемс Клерк Максвелл – теоретические работы

1897 г.
– англичанин Джозеф Джон Томсон, открыватель электрона, сформулировал мысль о существовании элементарной частицы и определил ее массу: Me< M_H в 10³ раз.

1906–1909 гг.
– Абрам Федорович Иоффе и Роберт Милликен – опыты по определению заряда электричества.

1916 г.
– Американцы Ричард Чейс Толмен и Бальфур Стюарт – эксперименты по доказательству свободных электронов в металлах.

Учитель курса “Обществознание”.

Наука – одна из важнейших сфер деятельности человека. Результатом ее должны быть объективные знания о мире. В систему знаний входят умения и навыки. Одни из них когда-то позволяли людям лучше разводить огонь, а другие лучше строить хижины или обжигать глиняные горшки. Начало этих знаний затерялось в глубине веков и для объяснения их происхождения использовались мифы, например, о Прометее, давшим людям огонь. Они отвечали и на вопросы о происхождении светил, Земли, человека и т. д., и включали в себя как религиозные воззрения, так и первые научные теории.

Ученые Древней Греции поднялись на ступень выше мифологического толкования мира. Они, не отрицая богов, пытались искать причины происходящего в природе, а не в воле высших сил. Натурфилософы создавали теории, которые как бы охватывали весь мир. Эти первые ученые задавали себе вопросы, ошибались, учились рассуждать и познавать. Они стояли на той ступени, которая ближе к “живому созерцанию”, сопоставляли больше внешние качества и часто наивно рассуждали о причинах явлений.

В дальнейшем произошло разделение наук. В 18–19 веках, период появления физики, химии возникло понятие “абстрактного мышления”.

В 20 в., веке научно-технической революции, когда влияние наук на конкретное производство, на жизнь людей стало чрезвычайно активным, произошел “переход от абстрактного мышления к практике”.

Конечно, все этапы познания не делятся во времени. И созерцание, и мышление, и переход к практике осуществляются чаще всего одновременно. Хотя возможно некоторое отставание последнего.

Развитие процесса познания в обществе и у индивида происходит аналогично. Живое созерцание в раннем детстве, затем абстрактное мышление в юности и активная творческая практическая деятельность в зрелости. Это сопоставление очень условно, ясно, что даже у младенца есть все этапы познания, выраженные по-своему. Но для облегчения понимания путей развития познания такое сравнение допустимо.

Развитие, взаимодействие и переплетение этапов познания – естественный и бесконечный процесс, происходящий в сознании отдельного человека и в любой науке в любое время ее существования.

Рассмотрим биографию электрона, суммируя все, что известно об открытии этой элементарной заряженной частицы, проявлении ее действия в физике и биологии.

Учитель физики.

Вот что рассказывает легенда. Шестой век до новой эры. Древняя Греция. Дочь Фалеса Милетского пряла шерсть веретеном, которое финикийские мастера украсили кольцом из янтаря. Как – то, уронив веретено в воду, Девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли, потому что оно все еще влажное, она принялась вытирать еще сильнее, и что ж? Шерстинок прилипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением к отцу. Фалес понял, что причина – в янтаре, накупил у финикийских купцов с ближайшего корабля янтарные изделия и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы. Янтарь, по – гречески, “электрон”, отсюда и произошло, правда, много позже, название элементарной частицы и других образованных от нее слов, таких как “электризация”, “электричество”

На протяжении тысячелетия было известно, что легкие тела притягиваются натертыми предметами. Вильям Гильберт (1540–1609 гг.) добавил к этому еще два существенных факта:
– способность притягивать легкие тела после натирания присуща множеству веществ;
– наэлектризованные тела притягивают все металлы, дерево, листья, камни, землю и даже растительное масло и воду.

Позднее, в 1670 г., немец Отто фон Герике изобрел электростатический генератор, который позволил усилить электрические действия, открыл электрическую искру, установил, что наряду с притяжением существует электрическое отталкивание. Действия электрической искры (звук, свет и физическое воздействие) подтвердили гипотезу о материальности электричества.

В 1729 г. Стефан Грэй, член Лондонского Королевского общества, исследовал возможность передачи электрического действия на расстояние. С балкона своего дома Грэй спустил на металлической проволоке шарик, соединенный с наэлектризованной стеклянной палочкой, который притягивал легкие тела. Грэю пришла в голову оригинальная мысль попробовать заменить в этом опыте металлическую проволоку нитями из различных материалов, и оказалось, что шелк, волосы, смола, стекло не передают электричество. Данные исследования послужили Грэю поводом для разделения вещества на проводники и изоляторы.

Результаты этих опытов привлекли внимание Шарля Дюфе (1731–1782 гг.), который смог объяснить многие явления, связанные с электризацией и выделить два рода электричества, одно из которых назвал “стеклянным”, а другое – “смоляным”. Первое появляется на стекле, драгоценных камнях, волосах, шерсти и пр., а другое – на янтаре, гуммилаке, шелке и т. д. Отличительными признаками обоих электричеств является то, что однородные электричества отталкиваются, а разнородные взаимно притягиваются.

Бенджамин Франклин (1706–1790 гг.) – один из интереснейших людей 18 века – преуспевающий делец, выдающийся дипломат, популярнейший американский писатель и тонкий наблюдатель природы обладал удивительным умением задавать ей вопросы и добиваться ответов с помощью остроумных экспериментов. Изучив все известное об электричестве, Франклин начал теоретически осмысливать это явление. О плодотворности его исследований красноречиво говорит простой перечень терминов, впервые появившихся в его работах: заряд, разряд, положительный и отрицательный заряды, конденсатор, батарея.

Исследуя взаимодействия электрически заряженных тел и проведя точные измерения электрических и магнитных сил в 1786–1789 гг. французский ученый Шарль Огюстен Кулон сформулировал закон, названный впоследствии его именем.

В 1800 г. Алессандро Вольта в Италии открыл источник постоянного электрического тока – вольтов столб.

В 1806 г. Дэви высказал мысль о том, что химические и электрические силы имеют общую природу. Это послужило объяснением образований химических соединений, однако, физики долго к ней не обращались.

В 1834 г. Фарадей провел серию исследований, направленных на выяснение природы электричества, электрического тока, сформулировал законы электролиза. Понятия, относящиеся к этим явлениям, тесно связаны с историей электрона и иона. Фарадей сформулировал также закон сохранения электрического заряда.

Георг Джонстон Стоней, профессор ирландского университета, в 1891 г. определил элементарное количество электричества, элементарную порцию электрического заряда, получив значение 3 *10^{– 19} Кл. Стоней был малоизвестным физиком и о его предложении вспомнили только в конце века.

Более известен в это время был Максвелл, его теоретические работы пытались проверить многие физики, их эксперименты завершились опытами американских исследователей Толмена и Стюарта (1916 г.), которые до сих пор служат самым убедительным доказательством существования свободных электронов в металлах.

К началу 20 века в целом ряде независимых экспериментов было открыто существование электрона, однако не был решен вопрос о его массе, не было доказано, что и на проводниках, и на диэлектриках заряды состоят из электронов, поэтому он не вошел еще в теоретические построения.

Такая задача была решена американским физиком Робертом Милликеном в серии экспериментов, которые завершились в 1966 г.

Вопросы к классу:

1. Вспомним опыты Иоффе и Милликена, которые изучили в 8-ом классе.
2. Запишем основные характеристики элементарной частицы – электрона, известные вам из курса физики (справочник):

М_е = 9,1*10^-31 кг,
Q_е = -1,6 *10^-19 Кл.

Учитель биологии.

Ребята! Мы только что с вами послушали об открытии электрона, о возникновении электрического поля. В жизни нас окружает огромное количество электрических приборов, при работе которых и возникает электрическое поле. Но, оказывается, оно может возникать и в живых организмах. Электричество в живых тканях впервые обнаружил профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798 гг.). Первые бесспорные доказательства существования электричества в растительных тканях были получены в середине 19 века немецким физиологом и философом Дюбуа – Реймоном (1818–1898 гг.). С тех пор изучению “растительного” электричества уделялось немало внимания. Что же удалось открыть?

Вы все прекрасно знаете, что основу любого живого организма составляет клетка. Если мы вспомним строение клетки, то сможем отметить, что ее основу составляют химические вещества, между которыми постоянно протекают химические реакции. В клетках есть белки-ферменты и ингибиторы, которые способны ускорять и замедлять эти реакции. При прекращении реакций клетка погибает, следовательно, прекращается и жизнь. В основе любой химической реакции лежит процесс передачи электронов, т. е. в результате реакции наблюдается направленное их движение от одного химического соединения к другому, а вы знаете, что это и вызывает появление электрического поля.

Электрическое поле по-разному ведет себя в живом организме. Каждый из вас знает, что у человека, поранившего себя в воде, например, порезавшего ногу о стекло, дольше заживает рана, чем при аналогичной травме на суше. Ученые утверждают, что одна из причин этого кроется в том, что на месте пореза, по краям раны накапливаются противоположные заряды, между которыми и возникает электрическое поле. Это поле частично уничтожает микроорганизмы, вызывающие гниение. В воде этого электрического поля не возникает, т. к. заряды не накапливаются по краям раны, поэтому после травм в воде раны долго не заживают.

Давайте вспомним рыб. К классу хрящевых рыб относятся скаты. Среди них существует электрический скат. Строение мышц этого животного позволяет накапливать большие электрические заряды, достигающие величины 400 вольт. При охоте за своей жертвой скат разряжает заряд, накопленный в мышцах. Возникающее электрическое поле способно парализовать не только мелких рыб, но даже крупных животных, находящихся в воде, таких как собака, корова.

В 10 классе мы с вами будем изучать раздел биологии – селекцию. Огромный вклад в эту науку внес Н. И, Вавилов. Одна из его заслуг заключается в том, что он открыл место возникновения и развития сельскохозяйственных растений, таких как злаки. В целом, это были районы, расположенные в горах Памира, Тянь-Шаня, Гималаев. Ученые открыли одно интересное явление. В этих местах, обозначенных на карте как центры возникновения культурных растений, произрастают растения больших размеров. Например, черешня в несколько обхватов, подсолнечник, на одном стебле которого находится несколько крупных соцветий, и ряд других плодовых растений. Детально исследуя это явление, ученые сделали несколько предположений, объясняющее его. Одно из них сводилось к тому, что электрическое поле, возникающее в атмосфере над горами, отличается от поля, возникающего над долиной. Это поле способно оказывать влияние на химические процессы, протекающие в конусе нарастания почек растений. Процесс деления клеток начинает проходить быстрее, следовательно, и рост растений ускоряется.

Для более полного объяснения процессов, протекающих в живых клетках, необходимы знания физики элементарных частиц (в частности об электроне, электрическом поле), и поэтому будущие биологи, химики, врачи изучают ее в качестве основного предмета на первых курсах институтов и университетов.

Вы убедились в связи науки биологии с физикой. Законы природы едины и могут быть применимы и к живому организму.

Литература:

1. Дрофман Я.Г. Всемирная история физики, ч .1, – М.: Наука, 1974; ч. 2, – М.: Наука, 1979.
2. Елисеев А. А. Возникновение науки об электричестве в России. – М. – Л.: Госэнергоиздат, 1960.
3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1974.
4. Мак – Дональд Д. Фарадей. Максвелл и Кельвин. – М.: Атомиздат, 1967.
5. Научные основы школьного курса физики /под ред. С.С. Шамаша, Э.Е. Эвенчик. – М.: Педагогика, 1985.
6. Планк М., Лоренц Г.А. Единство физической картины мира. – М.: Наука. 1966.
7. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Молодая гвардия, 1966.
8. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.. Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный уровень. – М.: Просвещение, 2010.