Урок-конференция. Вещество, без которого невозможна жизнь!

Конференция по физике

Тема: "Вещество, без которого невозможна жизнь!»

Цель: показать проявление общих закономерностей природы с точки зрения химии, физики, биологии, экологии на примере воды.

Задачи:

• рассмотреть вещество вода и его строение с точки зрения физики, химии;

• раскрыть сущность воды, значимость ее физических, химических свойств;

• показать значение воды в жизни живого и необходимости ее охраны;

• продолжить воспитание бережного и экономного отношения к водным ресурсам;

• продолжить развитие интереса учащихся к науке, активизировать их познавательную деятельность, формировать у них чувство прекрасного;

• продолжить формирование умения выделять главное, находить ответы на поставленные вопросы.

Демонстрации:

1. Опыт по демонстрации поверхностного натяжения.

2. Опыт Плато.

ТСО:

1. Компьютер.

2. Документ-камера.

Наглядность:

1. Презентация «Ее величество вода».

2. Фильм «Вода» (монтаж).

План конференции:

1. Организационный момент.

2. Постановка цели.

3. Гидросфера - водная оболочка Земли.

4. Значение воды в жизни организмов.

5. Молекулярное строение жидкостей..

6. Физические свойства воды

1. Тепловые свойства воды.

2. Сила поверхностного натяжения.

3. Капиллярные явления.

4. Аномалии в физических свойствах воды.

7. Экологические проблемы водных ресурсов.

8. Последние достижения науки.

9. Подведение итогов конференции (рефлексия).

ХОД КОНФЕРЕНЦИИ

1. Организационный момент.

Фильм 1

Добрый день! Мы начинаем конференцию, в которой примут участие не только учащиеся 10 класса и наши гости.

2. Постановка цели.

Сегодня мы работаем над мини-проектом «Вода».

Цель работы нашей конференции - уточнение значения воды для жизни живых организмов, ее влияние на окружающую среду и влияние окружающей среды на воду и соответственно на жизнь.

Сегодня в работе конференции примут участие наши современники, ученые различных областей наук, которые дополнят наши знаний по проблеме и познакомят с последними научными достижениями в данной области.

Итак, это (Презентация):

Виктор Инюшин - доктор наук, профессор, заведующий кафедрой биофизики КазНУ, Казахстан.

Рустум Рой - профессор Пенсильванского университета, член международной академии наук, США.

Курт Вютрих - лауреат нобелевской премии, Швейцария - США.

Аллоис Грубер - исследователь, Австрия.

Мартин Чаплин - профессор, заведующий лабораторией лондонского университета, Великобритания.

Владимир Воейков - доктор наук, профессор биологического факультета МГУ, Россия.

Александр Солодилов - доктор наук, член-корреспондент РАЕН, Россия.

Влаиль Казначеев - академик российской академии медицинских наук, Новосибирск, Россия.

Эмото Масару - исследователь, Япония.

• Определение порядка работы конференции.

Теперь давайте определим порядок работы конференции. (Презентация)

Мы разделились с вами на группы по областям исследования. И соответственно дадим слово представителям каждой исследовательской группы. Вы подготовили рефераты по творческим заданиям и регламент выступления со всеми демонстрациями 5 минут.

3. Гидросфера.

• Выступление учащегося.

Ни на одной планете нет такого количества воды, как на Земле. Она вокруг нас: в океанах и морях, реках и озерах, в дожде и снеге, в льдинах и водопроводных трубах, в питье и в пище. Вода занимает 3/4 поверхности Земли. Около 1/5 суши покрыто твердой водой (льдом и снегом), добрая половина ее всегда закрыта облаками, которые состоят из водяных паров и мельчайших капелек воды, а там, где никаких облаков нет, в воздухе всегда есть водяные пары. Вся земная жизнь рождена водой и не может существовать без нее.

По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше чем в Мировом океане. При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71% поверхности планеты и содержит 97.6% известных нам мировых запасов свободной воды.

Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды. Большими хранилищами влаги являются и ледники, в них сосредоточено до 2,1 % мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды поднялся бы на 64 м, и 1/8 поверхности суши было бы затоплено.

С водой на нашей планете связаны не только жизнь и климат, но и работа большинства отраслей народного хозяйства, особенно водного транспорта. Вода является богатейшим источником энергии - это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия.

Именно благодаря воде в природе возникают интереснейшие и саамы разнообразные явления, такие как радуга, гало, сулой, венцы, «шепот звезд». Причиной некоторых из них являются вода, ее пары и лед.

Только на нашей планете вода представлена в трех фазовых состояниях.

4. Значение воды в жизни живых организмов.

• Выступление учащегося

Воде принадлежит огромная роль в природе. В самом деле, ведь именно море явилось первой ареной жизни на Земле. Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы.

Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2-3 дней без питательных же веществ он может жить несколько недель. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в спорах и семенах от 7 до 15%, в организме человека вода составляет около 65%.

Разные части человеческого организма содержат не одинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83%, в жировой ткани 29%, в скелете 22% и даже в зубной эмали 0,2%.

В среднем в многоклеточном организме масса воды составляет ~80% от общей массы тела. Живой организм - это и есть вода.

5. Молекулярное строение жидкостей.

• Выступление учащегося.

Давайте рассмотрим воду с точки зрения молекулярного строения.

Химическая формула . Молекула воды - уголковая - угол между связями Н-О-Н равен 104° 27` . В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н - О:

В молекуле имеются четыре полюса зарядов: два - положительные и два отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две электронные пары кислорода, таким образом, молекула воды является диполем.

Молекулы жидкости расположены вплотную друг к другу. Сталкиваясь с соседями, молекула совершает колебательное движение около положения равновесия. Рентгеноструктурный анализ показал, что молекулы в жидкости располагаются группами по 10-12 штук. Силы взаимодействия между молекулами способны удерживать рядом друг с другом определенное количество молекул, образуя ближний порядок. Молекула может совершать перескоки. Фильм 2.

Молекулярное строение - кластер.

6. Тепловые свойства воды.

• Выступление учащегося.

Удельная теплоемкость воды = 4200 Дж/(кг•°С). Из-за исключительной способности воды поглощать тепло температура ее при нагревании и охлаждении изменяется незначительно, поэтому морским обитателям не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение. Большая удельная теплоемкость воды определяет климат планеты. Вода нагревается значительно медленнее суши, забирая большое количество солнечного тепла. Полученное тепло она сохраняет дольше, чем воздух и земля, выполняя при этом терморегулирующую функцию. На этом свойстве воды, кстати, основан и принцип обогрева жилых помещений при движении горячей воды по батареям отопительной системы.
Удельная теплота парообразования воды. = 300 000 Дж/кг. Парообразование воды тоже ее терморегулирующее свойство. Например, если бы человек не потел при физической работе, он бы перегрелся. Пот, основой которого является вода, при испарении понижает температуру тела.
Удельная теплота плавления льда при 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 334 000 Дж/кг. Из распространенных на Земле металлов только алюминий, железо и медь имеют удельную теплоту плавления выше 200 000 Дж/кг (при соответствующих температурах плавления). Таким образом, замерзая, вода выделяет тепло и согревает окружающий воздух. Это свойство воды также играет немаловажную роль в формировании климата планеты Земля. Замерзание воды в реках, озерах, морях в то же время не позволяет переохлаждаться воздуху в данной местности. Часто можно наблюдать, как птицы в сильный мороз греются, сидя на льду.

Тепловые свойства обеспечивают жизнедеятельность.

7. Капиллярные явления.

• Выступление учащегося

Первый взгляд на воду налитую в стакан подтверждает известное положение, что жидкость своей формы не имеет, а принимает форму сосуда, в который она налита.

Однако и здесь требуется поправка. Приглядитесь внимательнее на стакан, и вы заметите, что у краев поверхность жидкости приподнята и образует вогнутую форму.

Молекулы жидкости взаимодействуют между собой и с молекулами сосуда. В зависимости от того, какая из этих сил больше, будет наблюдаться явление смачивания (вогнутая поверхности) или не смачивания (выпуклая форма). Благодаря капиллярным явлениям влага поднимается, и растения имеют возможность питаться.

Демонстрация 1.

Возьмем пробирку, наполненную водой. Перевернём на книгу или открытку и будем постепенно вытаскивать открытку. Ни одна капля не пролилась, зато поверхность воды вздулась, образовав "горку". Все системы стремятся уменьшить свою энергию. Точно так же сила поверхностного натяжения стремится сократить до минимума площадь поверхности жидкости.

Из всех геометрических форм шар обладает при данном объеме наименьшей поверхностью. Так что собственная форма жидкости - шар. Большое количество жидкости не может сохранить шарообразную форму: она изменяется под действием силы тяжести. Если устранить действие силы тяжести, то под действием молекулярных сил жидкость примет форму шара.

Демонстрация 2.

Если взять смесь воды и спирта и поместить в нее каплю жидкого масла, то в какой-то момент сила тяжести уравновесится силой Архимеда и образуется масляный шар, свободно покоящийся в смеси. Этот шар от разлета по молекулам удерживает сила поверхностного натяжения.
Роль поверхностного натяжения в жизни очень разнообразна. Например, существуют целые виды мелких насекомых и паукообразных, передвигающихся за счет поверхностного натяжения. Наиболее известны водомерки, которые опираются на воду кончиками лапок. Сама же лапка покрыта водоотталкивающим налетом. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, но за счет силы поверхностного натяжения водомерка остается на поверхности.

Наши демонстрации показывают, что перечисленные мною явления результат того, что собственная форма жидкости - шар.

8. Аномальные явления.

• Выступление учащегося.

Вода - поразительная жидкость - у нее есть аномалии. Для воды, будто законы не писаны!

Первая аномалия: воде по ее химической структуре положено плавиться и кипеть при низких температурах, которых на Земле не бывает. Не было бы, значит, на Земле ни твердой, ни жидкой воды. А был бы один пар. А она кипит при 100 С.
Вторая аномалия: высокая теплоемкость. У воды она в 10 раз больше, чем у железа. Из-за исключительной способности воды поглощать тепло температура при ее нагревании и охлаждении изменяется незначительно, поэтому морским обитателям никогда не угрожает ни сильный перегрев, ни чрезмерное охлаждение.
Третья аномалия: у воды очень высокая удельная теплота парообразования. Если бы у воды не было этого свойства, многие озера и реки летом быстро бы пересохли до дна, и вся жизнь в них погибла.

Четвертая аномалия: замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Поэтому лед всегда легче незамерзшей воды и всплывает вверх. Под такой "шубой" даже зимой в Арктике морским животным не очень холодно.

Пятая аномалия. Еще одно удивительное свойство воды связано с ее особым состоянием при температуре +4^оС. При этой температуре она обладает максимально возможной для себя плотностью, а значит - и тяжестью. Вода при этой температуре тяжелее, чем при какой-либо другой, и поэтому всегда будет опускаться в водоеме на дно. Но долго ли она там пробудет? Дело в том, что дно водоема, как правило, или теплее или холоднее этой воды. Поэтому слои воды с температурой +4^оС, достигнув дна, будут или нагреваться или охлаждаться, а после этого всегда всплывать на поверхность. Вследствие этих процессов в водоеме всегда будет происходить перемешивание слоев воды. А это очень важно для жизни, так как вода у дна какого-либо тихого пруда или озерца всегда бедна кислородом, и если бы не происходило перемешивания воды, обитатели водоема начали бы задыхаться от его нехватки.

Фильм 3.

9. Экологические проблемы.

• Выступление учащегося

Мы многое знаем о экологических проблемах на нашей планете; наши экологические проблемы - результат деятельности человека. Но особо нужно сказать о проблемах водных ресурсов, поскольку вода - это и есть мама жизнь.

Основные экологические проблемы водных ресурсов:

• Уменьшение запасов пресной воды вследствие увеличения численности населения на планете и развитие промышленности.

• Загрязнение водоемов бытовыми и промышленными стоками, образование шламовых озер, захоронение радиоактивных отходов.

• Ядерные испытания.

• Изменение климата и как следствие изменение температуры течений Мирового океана.

• Исчезновение морей.

Фильм 4.

Сможет ли человечество уменьшить свое влияние на экосистему планеты?

10. Информационная память воды.

• Выступление учителя.

Японский исследователь Масару Эмото более двадцати лет изучает... воду. Вернее, ее кристаллы, которые он получает в своей лаборатории, фотографирует, а затем анализирует снимки под микроскопом с увеличением в несколько сотен раз. Эти многолетние исследования позволили ученому сделать удивительное, воистину сенсационное открытие.

Я хочу вам продемонстрировать вам фильм о последних научных открытиях в данной области и прошу заметить, это те строгая научная теория, нет это пока гипотеза, но уже подтвержденная многочисленными экспериментами.

Фильм 5.

11. Итог конференции.

Я советую посмотреть фильм «Вода» полностью. Сколько еще интересных фактов и новых открытий сегодня не прозвучало и осталось за кадром.

Вы хорошо поработали, и разработали первый коллективный мини-проект. Но в любой науке есть столько неизведанного, и интересного, так что в путь друзья!

Приложение.

Опыт Плато

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости - шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда "теряет" свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует - и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.
Прованское масло плавает в воде, но тонет в спирте. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя в эту смесь немного масла посредством шприца, мы увидим странную вещь: масло собирается в большую круглую каплю, которая не вплывает и не тонет, а висит неподвижно [Чтобы форма шара не казалась искаженной, нужно производить опыт в сосуде с плоскими стенками (или в сосуде любой формы, но поставленном внутри наполненного водой сосуда с плоскими стенками)].

Рис. Масло внутри сосуда с разбавленным спиртом собирается в шар, который не тонет и не всплывает (опыт Плато).

Рис. Если масляный шар в спирте быстро вращать при помощи воткнутого в него стерженька, от шара отделяется кольцо.

Опыт надо проделывать терпеливо и осторожно, иначе получится не одна большая капля, а несколько шариков поменьше. Но и в таком виде опыт достаточно интересен.
Это, однако, еще не все. Пропустив через центр жидкого масляного шара длинный деревянный стерженек или проволоку, вращают их. Масляный шар принимает участие в этом вращении. (Опыт удается лучше, если насадить на ось небольшой смоченный маслом картонный кружочек, который весь оставался бы внутри шара.) Под влиянием вращения шар начинает сначала сплющиваться, а затем через несколько секунд отделяет от себя кольцо. Разрываясь на части, кольцо это образует не бесформенные куски, а новые шарообразные капли, которые продолжают кружиться около центрального шара.

Рис. Упрощение опыта Плато.

Впервые этот поучительный опыт произвел бельгийский физик Плато. Здесь описан опыт Плато в его классическом виде. Гораздо легче и не менее поучительно произвести его в ином виде. Маленький стакан споласкивают водой, наполняют прованским маслом и ставят на дно большого стакана; в последний наливают осторожно столько спирта, чтобы маленький стакан был весь в него погружен. Затем по стенке большого стакана из ложечки осторожно доливают понемногу воду. Поверхность масла в маленьком стакане становится выпуклой; выпуклость постепенно возрастает и при достаточном количестве подлитой воды поднимается из стакана, образуя шар довольно значительных размеров, висящий внутри смеси спирта и воды.