Интегрированный урок (физика, литература, ИКТ, ОБЖ) АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Февраль 2012 года.

Интегрированный урок

(союз физики, литературы, музыки, обж)

10 класс

«Атмосферное электричество»

Форма проведения: трансляция научно-популярной передачи из «киностудии».

Театрализованный урок подготовлен с участниками

физического кружка.

Цели урока:

Обобщить и систематизировать знания учащихся об электрическом токе в газе, рассматривая всевозможные проявления атмосферного электричества.

Повторить основные вопросы «Электростатики», объясняя появление заряда на тучах.

Привлекая опыт, сделать явления более наглядными и доступными для понимания.

Вовлечь всех учеников в активную работу, проводя урок в форме «телепередачи»

Используя примеры из художественной литературы, репродукции картин, музыкальные произведения, видеофрагменты, показать величие и красоту окружающего мира.

Дать рекомендации по защите себя от атмосферного электричества.

Оборудование : катушка Румкфорда, выпрямитель, провода, молниеотвод, макет жилого дома, газоразрядные трубки, фрагменты кинофильма «Электрические разряды», компьютер, проектор, репродукции картин, записи музыки Верди, записи звуков дождя, грома.

Ход урока:

1. Обращение учителя к ученикам и «телезрителям»:

''Дорогие друзья, уважаемые «телезрители»! Мы вновь приветствуем вас на нашей телепередаче « Физика в природе». Судя по вашим письмам, наша передача вам очень нравится. Особенно много писем мы получили от учащихся 10-х классов Грицовской средней школы Тульской области. Сегодня мы ведём эту передачу из стен именно этой школы. Моими собеседниками и помощниками будут грицовские старшеклассники. Они подробно расскажут вам об атмосферном электричестве и ответят на все интересующие вас вопросы.

2. Ученик. Наш контактный телефон 6-25-15.Передача идёт в прямом эфире. (Ученик сидит за столиком с микрофоном, обстановка - телестудии) Наш анонс.

1) Вначале вы побываете в литературной гостиной. (Часть класса оборудована под гостиную: круглый стол, покрытой тёмной скатертью, подсвечники, на стене - репродукции картин Саврасова, Брюллова)

2) Затем услышите голос из прошлого.

3) Вы увидите опыты по укрощению электричества. (Кафедра - физическая лаборатория)

4) Услышите отрывки из научного детектива «Стримеры».

5) Познакомитесь с прогнозом погоды.

6) И закончат телепередачу полезные советы.

3)Мы приглашаем к экрану всех, кто умеет чувствовать прекрасное, любить и восхищаться окружающим нас миром. Усаживайтесь поудобнее. В нашей гостиной звучит музыка Верди из оперы ''Риголетто'', сцена грозы. Сколько в ней тревоги, смятения, какого-то страшного предчувствия.

Ученик.

''Ветер воет…Гром грохочет…

Синим пламенем пылают стаи туч над бездной моря.

Море ловит стрелы молний и в своей пучине гасит.

Точно огненные змеи вьются в море, исчезая отраженья этих молний''

А. М. Горький

Ученик.

''Вдруг над самой головой его со страшным, оглушительным треском разломалось небо… и внизу, на земле, вспыхнул и раз пять мигнул ослепительный едкий свет. Раздался новый удар, такой же сильный и ужасный. Небо уже не гремело, не грохотало, а издавало сухие, трескучие, похожие на треск сухого дерева, звуки…''

А. П. Чехов

Ученик.

Гроза - мощная и эффектное явление природы, во все времена оказывало возбуждающее действие она психику человека, вызывало сильнейшие эмоции. Недаром, чтобы подчеркнуть особую силу эмоционального напряжения, писатели, композиторы и поэты часто обращаются к теме грозы и бури.

Ученик.

Вслушайтесь в то, как доведённый до отчаяния коварством и бездушием своих дочерей король Лир заклинает разбушевавшуюся стихию.

''Дуй, ветер! Дуй, пока не лопнут щёки!

Лей, дождь, как из ведра, и затопи

Верхушки флюгеров и колоколен!

Вы стрелы молний, быстрые, как мысли,

Деревья расщепляющие, жгите

Мою седую голову! Ты, гром,

В лепёшку сплюсни выпуклость Вселенной

И в прах развей прообразы вещей

И семена людей неблагодарных!''

В. Шекспир.

Ученик.

А я вспоминаю другие строки о грозе. Вы помните строки стихотворения Ф. Тютчева ''Люблю грозу в начале мая…'' (Звучит стихотворение на фоне музыки Грига ''Утро'') Какая тёплая, нежная, солнечная музыка в сочетании с поэтическими строками, она помогает ощутить свежесть утра, омытого дождём.

Ученик.

Человек и природа одно целое. Всё, что может происходить в душе человека (волнение, порыв, смятение, буря, озарение, покой), проявляется и в природе. Природа тоже переживает различные настроения.

Ученик.

Гасим свет в студии. Давайте вспомним, как выглядит разбушевавшаяся природа во время грозы. (Демонстрируются кадры уч. фильма о грозовых разрядах)

Ученик.

А вы хотели бы понять физику этих процессов? Мы вам в этом поможем. Давайте прислушаемся к разговору профессоров Академии Петербургской Г. В. Рихмана и М. В. Ломоносова.

(В гостиной появляются ученики в костюмах Г. Рихмана и М. Ломоносова)

Г. Рихман.

Возникновение молний свидетельствует о том, что в тучах накапливаются значительные электрические заряды.

М. Ломоносов.

В чистой атмосфере, где нет облаков, имеются свободные заряды. В облаках плотность зарядов в 100 раз больше, чем в чистой атмосфере.

Г. Рихман.

Облако при движении в атмосфере электризуется. Особенно сильно электризуется грозовая туча. Верхняя её часть заряжена положительно, а нижняя отрицательно, центр положительного заряда находится на высоте 7-10 км. (Температура от -20 град. С до -30 град. С), центр отрицательного заряда на высоте 3-4 км. (Температура от 0 град. С до -10 град. С)

М. Ломоносов.

Нижняя часть тучи и земная поверхность подобна пластинам гигантского конденсатора. Этот конденсатор разряжается за счёт молний, проскакивающих между тучей и землёй, и за счёт осадков.

Учитель Уважаемые господа - профессора!

В этом зале сидят юные отроки. Вы не хотели бы послушать их высказывания об электрических зарядах.

М. Ломоносов.

О, отроки!

Дерзайте, ныне ободрёны

Раченьем вашим показать,

Что может собственных Платонов

И быстрых разумом Невтонов

Российская земля рождать.

1-й ученик.

Я могу объяснить образование заряда водяной капли. Капля находится в электрическом поле «конденсатора»: Земля - ионосфера. В электрическом поле капля поляризуется, нижняя её часть заряжена положительно. Капля падает, при этом она встречает, как ''+ ''ионы, так и ''- ''ионы. Положительные ионы будут отнесены восходящими потоками воздуха вверх и зарядят верхушку тучи положительно.

2-й ученик.

Разделение заряда в туче происходит и по другим причинам: дробление больших капель на более мелкие, столкновение водяных капелек с кристаллами, трение капель о воздух, термоэлектронная эмиссия между кристалликами льда и контактирующими с ними водяными капельками.

1-й ученик.

При нормальных условиях у поверхности Земли всегда существует стационарное электрическое поле, напряжённость которого 130 В/м, ибо постоянно движущиеся потоки трутся о землю, о различные препятствия, друг о друга. Во время грозы напряжённость такого поля может возрастать до 1000 В/м. Одно грозовое облако объём которого достигает несколько тысяч кубических метров, несёт в себе миллионы тонн капелек воды с потенциальной энергией, равной энергии многотонной термоядерной бомбы.

Учитель.

Оцените энергию, выделяющуюся при разряде молнии, полагая, что электрическое поле между Землёй и нижней поверхностью тучи однородно, т. е. подобно полю внутри плоского конденсатора. Размеры тучи 4x 4 км, расстояние до Земли 1 км., разность потенциалов между Землёй и тучей 1000000000 В. Какой массы молот будет обладать такой энергией, находясь на высоте 1 км?

(Ученики производят расчёты, обсуждают результат)

Учитель.

Теперь вы понимаете, какая опасность таится в атмосферном разряде.

Ученик.

Чтобы уберечь своё жилище от разрушительного воздействия молний используют грозоотводы.

( Демонстрируется опыт на макете дома)

Архивариус.

Идея громоотвода принадлежит Б. Франклину. В один из ветряных дней, когда низкие тучи предвещали грозу, Бен соорудил из шёлкового платка воздушного змея и запустил его под облака. К концу верёвки он привязал металлический ключ, а к ключу шёлковую ленту, за которую в целях безопасности держался сам. Скоро верёвка намокла. Где-то вдали громыхнул первый гром. Франклин поднёс к ключу лейденскую банку и длинная голубая искра клюнула центральный электрод. ''Браво! Есть электричество! Я его отнял у неба! Больше я не позволю небесному огню сжигать дома и корабли, убивать людей и наносить ущерб обществу. Заострённые шесты сведут молнии на Землю.''

К концу 18 века громоотводы прочно вошли в жизнь человека. Металлические штыри и заострённые прутья устанавливались не только на домах, но и дамы в Париже носили шляпки с громоотводом. В России эра громоотводов началась после того, как молния ударила в шпиль Петропавловского собора.

Ученик.

Громоотвод - это металлический стержень, возвышающийся над защищаемым зданием и соединённый с землёй металлическим проводником. Вокруг молниеотвода - защищённое пространство, имеющее форму конуса, h=R. Назначение молниеотвода - не принимать удар, а предотвратить его возникновение. На острие молниеотвода накапливается эл. заряд под влиянием заряда облака и уходит в воздух. Эл. поле вокруг молниеотвода ослабевает, уменьшается вероятность удара.

Учитель.

Объясните, как происходят эл. разряды.

Ученик.

Сейчас я покажу вам различные типы разрядов.

(демонстрирует искровой, коронный разряды, огни Святого Эльма. Ученики объясняют их природу).

Ученик.

Я покажу вам свечение газоразрядных трубок в электрическом поле. Что оно вам напоминает?

Ученик.

В атмосфере земли можно наблюдать красивое зрелище - полярное сияние. М. Ломоносов высказал догадку, что оно имеет электрическое происхождение и вызвано свечением различных газов, составляющих атмосферу, бомбардируемых движущими заряженными космическими частицами.

Ученик.

''Ах, как играет этот Север!

Ах, как пылает надо мной

Разнообразный радуг веер

В его короне ледяной!

Ему, наверно, по натуре

Холодной страсти красота

Усилием магнитной бури

Преображённая в цвета''

М. Дудин.

М. Ломоносов.

Как может быть, чтоб мёрзлый пар

Среди зимы рождал пожар?

Ученик.

Мы составили паспорт молнии, внесите его в зал.

(Вносят паспорт - большой красочный плакат с изображением различных видов молний: линейная, ленточная, шаровая, скользящий разряд.)

Длина молнии - несколько км.

Напряжение между тучей и землёй - 1000000000 В.

Общий заряд - 100 Кл.

Длительность импульса - 0, 001с.

Промежуток между импульсами - 0,01с.

Время разряда - 0,1с.

Сила тока - 1000 А.

Энергия до 10000000000 Дж.

Температура в канале - 20000 К.

Диаметр видимого канала - 1м.

Диаметр основного тока - 1 см.

Учитель.

Кто объяснит, почему разряд сопровождается громкими раскатами грома и вспышкой света?

Ученик.

Молния - высокотемпературная плазма, которая ярко светится. В канале разряда при быстром повышении температуры происходит резкое расширение, врыв воздуха, что сопровождается громом. Раскаты грома возникают из-за многократного отражения звука от облаков и туч, а так как молния имеет очень большую длину, то звук от разных её участков доходит до нас в разные моменты времени.

Ученик.

Настало время чтения научного детектива ''Стримеры''.

Главная героиня детектива - молния. Характер её коварный и безжалостный. Главное её оружие - быстрые и меткие электроны.

Линейная молния - это несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Импульс - это пробой воздушного диэлектрика между тучей и землёй, он происходит в виде искрового разряда. Сначала образуется канал разряда между тучей и Землёй, по этому каналу быстро проскакивает импульс основного тока. В нижней части тучи поле имеет напряжённость 100000 - 1000000 В/м, электроны получают огромное ускорение, приобретая большую кинетическую энергию на длине свободного пробега, они, сталкиваясь с атомами, ионизуют их, образуется лавина быстрых электронов, они образуют у дна тучи плазменные нити - стримеры. Стримеры, сливаясь друг с другом, дают начало плазменному каналу, по которому и пройдёт основной ток. Канал наполнен электронами и ионами, хорошо проводит эл. ток. Это ступенчатый лидер, он формируется не плавно, а ступенями. Головка лидера выскакивает из тучи и бросками с остановками, на огромной скорости 10000000 м/с движется к Земле, оставляя позади ломаный канал разряда. Лидер почти не видим, светится слабо. Он ''засекречен''. Лидер достигает Земли за 0,01 - 0,02 с. при расстоянии между тучей и Землёй 1 км., он замыкает Землю и тучу накоротко плазменным каналом. По каналу устремляется основной ток от Земли к туче, импульс тока длится 100 с., сила тока 100000 А., выделяется 1000000000 Дж энергии, температура газа в канале 10000 К. Свечение и разогрев канала происходят от Земли к туче.

(На экран проецируются видеокадры мощных молний)

Синоптики.

Просим обращать внимание на следующие народные приметы:

1. Большие кучевые облака с запада - к ненастью

2. Если на утренней заре облака принимают причудливую форму, - жди грозу днём.

3. Летом дуют встречные ветры - к грозовой погоде.

4. Если летом при южном ветре понижается атмосферное давление, - будет гроза.

(Раздаются нарастающие удары грома, шум дождя, затем ливня - запись на

диске)

Ученик.

Скажите, а вы боитесь грозы? Только откровенно! Гроза самое величественное и грозное явление природы. Многие люди, едва заслышав звуки надвигающейся грозы, пытаются бежать, прятаться. Представьте себе. Гроза застала вас на открытой местности, где растёт одинокое дерево. Вы ведёте на металлической цепочке собачку, в другой руке держите зонт. Что делать, как уберечь себя и собачку от удара молнии?

(Разыгрывается сцена на фоне декораций: зелёная поляна и одинокое дерево).

Девушка.

Спрячусь под дерево.

Голос.

Под деревом стоять опасно!

Девушка.

(В панике мечется, звуки бушующей грозы нарастают).

Лягу на землю.

Голос (из-за ширмы).

Нельзя. При близком разряде между ногами и головой возникает смертельная разность потенциалов.

Девушка.

Присяду на корточки, но что делать с собачкой?

Голос.

Правильно, а собачку возьми на колени и разорви с ней контактную цепь.

Девушка.

(Делает всё, что приказывает голос)

Раскрою зонтик, чтобы не промокнуть.

Голос.

Зонтик сверни и отбрось в сторону. Если одежда и тело намокнут от дождя, то основной ток разряда пройдёт по слою воды, не проникая внутрь тела.

Девушка.

Я всё поняла. Нужно присесть, зонт отбросить, собачку взять на руки.

Ученик.

А вы поняли? Тогда благодарим за внимание, До новых встреч. Следующий наш выпуск будет посвящён оптическим явлениям природы.