Движение и его виды

Интегрированный урок • 11 класс

Цель. Обобщить знания о процессе движения, полученные на уроках химии, физики, биологии.

Задачи. Познавательные: углубить знания о движении и его видах; проверить понимание учащимися сущности движения, его причин; продолжить формирование знаний о единстве мира природы.

Развивающие: развивать умения обобщать и применять полученные знания, умения сравнивать, анализировать результаты опытов, устанавливать причинно-следственные связи; способствовать развитию логического мышления.

Воспитательные: формировать научное мировоззрение, целостную картину мира; воспитывать познавательный интерес к предметам естественно-научного цикла на основе межпредметных связей.

Оборудование. Мультимедийный проектор, экран, презентации к уроку, составленные в программе Power Роint, листы с вопросами и заданиями для учащихся, материалы, посуда и реактивы для проведения опытов.

План урока

1. Вступительное слово учителя, постановка целей.

2. Движение как перемещение.

3. Движение тепла.

4. Движение как качественное изменение. Химические реакции.

5. Движение в живой природе.

6. Движение как распространение. Волны.

7. Закрепление материала.

8. Итог урока.

ХОД УРОКА

1. Вступительное слово учителя, постановка целей

Учитель химии. Современный научный опыт свидетельствует о том, что в природе нет покоя. Даже в холодных застывших камнях происходит непрерывное, не видимое глазом движение. Однако понятие «движение» нельзя свести просто к перемещению какого-либо объекта в пространстве. В общем случае под движением понимают любое изменение рассматриваемой системы со временем. О различных формах движения и о его свойствах пойдет речь сегодня на уроке.

Мы рассмотрим этот процесс с разных сторон, чтобы связать воедино разрозненные сведения о нем.

«Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит,
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей».

(А.С.Пушкин)

Обратимся к толковому словарю живого великорусского языка Владимира Даля с вопросом: что же такое движение?

«Двигать… пихать, переть, толкать, совать, таскать, волочить, перемещать вещь…»

2. Движение как перемещение

Учитель физики. Физик добавит, что движение как изменение взаимного положения тел или их частиц в пространстве с течением времени называется механическим движением. Тело, относительно которого рассматривается движение, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета. Еще Галилей установил относительность движения.

С давних времен людей интересовал вопрос, не существует ли абсолютно покоящейся системы отсчета. Древний философ Птолемей считал, что такой системой является наша Земля, а остальные небесные тела и другие объекты движутся относительно Земли. Коперник предложил описывать движение планет в другой системе отсчета, где неподвижным является Солнце (рис. 1).

Во времена Галилея споры о правильном описании движения планет носили нешуточный характер. Но в силу относительности движения оба описания можно признать эквивалентными, они просто соответствуют описанию движений в разных системах отсчета. А вот абсолютно неподвижной системы отсчета ученые до сих пор не обнаружили. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактика, как и другие наблюдаемые астрономами галактики, также движется. Что-то, что можно было бы считать абсолютно неподвижным, во Вселенной не обнаружено.

На первый взгляд может показаться, что схема движения по Копернику проще, чем схема движения по Птолемею. Но простота эта кажущаяся. Чтобы наблюдать движение планет вокруг Солнца, необходимо удалиться от Солнечной системы на значительное расстояние. Мы наблюдаем, как и написал Пушкин, что «пред нами солнце ходит». Оказывается, что описания движения в различных системах отсчета (Птолемея и Коперника) эквивалентны, пока мы исследуем кинематику движения, т.е. не рассматриваем причины, вызывающие движение, – массы тел и действующие на них силы.

Строго говоря, движение, изображенное на схеме Птолемея, мы тоже не наблюдаем. Перемещение планет и Солнца относительно нас довольно сложно изобразить. Солнце описывает окружности, часть которых мы видим. Звезды и планеты также в течение суток описывают подобные окружности. В течение года Солнце смещается относительно звезд. Планеты, в свою очередь, также смещаются относительно звезд, описывая с точки зрения наблюдателя на поверхности Земли довольно замысловатые кривые (рис. 2).

Несмотря на кажущуюся простоту механического движения, его правильное описание невозможно без введения четких и определенных характеристик, отсутствие которых приводит к парадоксам. Например, в известной апории Зенона утверждается, что Ахиллес никогда не догонит черепаху. Доказательство очень простое. Пусть в данный момент черепаха находится в некоторой точке А. Чтобы догнать черепаху, Ахиллес должен прийти в точку А. Но когда Ахиллес достигнет точки А, черепаха окажется уже в другой точке В. Рассуждения эти можно повторять сколь угодно долго, а значит, Ахиллес никогда не догонит черепаху.

А теперь послушайте сообщение о характеристиках движения.

1-й ученик. Характеристика движения, показывающая, насколько изменяются координаты тела со временем, называется скоростью. Движение, при котором скорость остается постоянной по величине и направлению, называется равномерным прямолинейным движением.

Если скорость изменяется, то величина такого изменения характеризуется ускорением.

Важной характеристикой движения материальной точки является траектория движения – воображаемая линия в пространстве, по которой движется материальная точка в заданной системе отсчета.

Если при кинематическом описании движения все системы отсчета полностью эквивалентны, то при динамическом описании, т.е. при описании с исследованием влияния взаимодействий между телами на их движение, некоторые из систем оказываются выделенными.

Учитель физики. Что же является причиной движения?

Древнегреческий философ Аристотель считал, что для равномерного движения тела необходимо воздействие на него некоторой силы. Галилей, проделав ряд опытов, пришел к выводу, что тело движется равномерно в случае, когда оно не взаимодействует с другими телами. В том, что это не совсем так, можно убедиться на простейшем опыте (хотя бы мысленном). Представьте, что в поезде метро посередине пустого вагона лежит мячик. Что будет с мячом, когда вагон тронется? Без действия дополнительных сил мяч начнет двигаться с ускорением. Чтобы уточнить формулировку Галилея, Ньютон ввел понятие инерциальной системы отсчета – это система, в которой тело в отсутствии взаимодействия с другими телами покоится или движется равномерно прямолинейно. В нашем примере вагон метро является неинерциальной системой отсчета.

Строго говоря, инерциальных систем отсчета в природе нет. Например, стол учителя в классе вращается вместе с Землей, а следовательно, движется с ускорением. Однако во многих случаях, например при демонстрации школьных опытов, стол учителя может рассматриваться приближенно, как инерциальная система отсчета. А вот для описания движения планет инерциальной системой отсчета можно приближенно считать систему, центр которой находится в центре Солнца, а оси ориентированы по звездам. Именно по этой причине движение небесных тел в системе Коперника описывается лучше, чем в системе Птолемея.

Мы приходим, таким образом, к выводу, который известен как первый закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Но равномерное движение есть лишь частный, практически нереализуемый случай движения. Все реально наблюдаемые нами тела движутся с ускорением. Причины движения с ускорением формулируются во втором законе Ньютона, который вам знаком из курса физики: ускорение тела в инерциальной системе отсчета пропорционально сумме всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально массе тела.

3. Движение тепла

Учитель химии. Наука о движении теплоты (тепла) – термодинамика. Первоначально под теплотой понимали нечто, что нужно было передать телу, чтобы оно нагрелось, и отнять у тела, чтобы его охладить.

Как это часто бывает при развитии науки, некоторые понятия вводятся полуинтуитивно, не строго. Затем с ними учатся работать, измерять соответствующие величины, создавать математическую теорию, описывающую процессы и явления, которые подразумеваются под введенными понятиями. Лишь спустя какое-то время начинается осмысление того, с чем уже научились работать.

Так произошло с теплотой и температурой. Первоначально понятие температуры было введено для того, чтобы оценить степень «нагретости» тела. Ее научились измерять, сконструировав приборы – термометры – основанные на том, что при нагревании объем тел возрастает. Научившись измерять температуру, нашли способ измерять теплоту, а точнее, количественно определили теплоту как нечто пропорциональное изменению температуры. Для измерения теплоты стали пользоваться стандартным способом – сравнивать с чем-то эталонным. Таким эталоном послужила вода. Под единицей измерения, которую назвали калория, стали понимать количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 °С.

Первое осмысление природы теплоты привело к появлению представлений о том, что количество теплоты эквивалентно количеству некоторой невесомой жидкости, которая невидима и передается телу при нагревании. Жидкость эту назвали теплородом. Знание этого факта, возможно, позволит лучше осознать такое понятие, как теплоемкость. Способность тела принимать тепло, если понимать под ним некоторую жидкость, обусловлена имеющимися в теле «емкостями» для этой жидкости.

Учитель физики. В современном школьном учебнике по физике можно прочитать, что: «Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты». Однако переопределение понятия «теплота» произошло лишь спустя достаточно большое время, после того, как с ним научились работать.

В 1840-х гг. Дж.П.Джоуль экспериментально показал, что теплота может быть получена за счет механической работы.

Эквивалентность совершенной над телом работы и количества сообщенной телу теплоты нашла отражение в первом начале термодинамики. Одно из возможных его следствий: внутренняя энергия системы может изменяться (U) при совершении работы над системой (A) и при передаче ей тепла (Q) (запись на доске):

U = A + Q.

Первое начало термодинамики вовсе не противоречило понятию теплорода. Он оказался не «рождающим тепло», а его носителем. Энергия перемещалась посредством теплорода.

Есть еще один термодинамический закон, которому посвящено следующее выступление (выступление ученика сопровождается компьютерной презентацией).

2-й ученик. Теплота, или тепловая энергия, обладает рядом специфических свойств по сравнению с другими видами энергии. Одним из важных свойств энергии в механике является способность преобразовываться из одного вида в другой и передаваться от одного тела к другому.

Так, например, один биллиардный шар, налетев на такой же второй шар, может остановиться, полностью передав свою энергию. Однако возможен и обратный процесс, когда второй шар толкнет и заставит двигаться первый.

Для процессов, связанных с передачей теплоты или с превращением механической энергии в теплоту, обратимость, характерная для механических процессов, исчезает. Механическая энергия может полностью перейти в теплоту. Обратный переход возможен не для любых процессов и имеет ограничения, запрещающие полный переход теплоты в механическую энергию. Теплота всегда переходит от более горячего тела к более холодному.

Есть еще один термодинамический закон, который разрешает одни процессы, не противоречащие первому началу, и запрещает другие. Этот закон – его называют вторым началом термодинамики – имеет несколько формулировок. Например: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.

Оказывается, это утверждение можно выразить на языке математики, если ввести в дополнение к таким величинам, как энергия, теплота, температура, еще одну физическую величину – энтропию. В простейшем случае, когда тело получает или отдает тепло, изменение энтропии вводится как

S = Q/T,

где Q – полученное (Q > 0) или отданное (Q < 0) количество теплоты. Энтропия системы определяется как сумма энтропий тел, составляющих систему.

Понятие «энтропия» было введено немецким физиком Р.Клаузисом для определения меры необратимого рассеяния энергии.

4. Движение как качественное изменение. Химические реакции

Учитель химии. Движение – это не только механическое перемещение. Под движением понимают любое изменение, происходящее в окружающем нас мире. Примером может служить химическая реакция, т.е. процесс превращения одних веществ в другие.

(Ученик пишет на доске уравнения:

2KClO₃(тв.) = 2KCl(тв.) + 3O₂(газ),

N₂(газ) + 3H₂(газ) = 2NH₃(газ).)

Химические реакции идут с различными скоростями. Диапазон их скоростей чрезвычайно широк – от практически мгновенных реакций (взрывы, многие реакции в растворах) до крайне медленных, идущих столетиями (например, окисление бронзы на воздухе).

В XIX в. было установлено, что химические реакции в подавляющем большинстве представляют собой многостадийные процессы, т.е. совершаются не путем непосредственного одновременного столкновения частиц-реагентов с образованием продуктов, а через ряд простых (элементарных) процессов. Действительно, если бы, к примеру, реакция окисления аммиака (ученик записывает уравнение на доске):

4NH₃(газ) + 3O₂(газ) = 2N₂(газ) + 6H₂O(газ)

шла в одну стадию, то это потребовало бы огромных затрат энергии на одновременный разрыв связей в молекулах аммиака и кислорода. Кроме того, не следует забывать, что вероятность столкновения трех частиц очень мала, четырех – почти равна нулю. Одновременное же столкновение семи частиц (четырех молекул аммиака и трех молекул кислорода) – практически невероятно.

Элементарной стадией химической реакции может быть распад одной молекулы, столкновение двух частиц, переход частицы в возбужденное состояние.

Даже простая, на первый взгляд, реакция:

H₂(газ) + Br₂(газ) = 2HBr(газ)

идет по стадиям, причем каждая стадия протекает со своей скоростью.

1-я стадия (быстрая): Br₂ —> Br•+ Br•,

2-я стадия (относительно медленная):

Br•+ Н₂ —> НВr + H• и т.д.

Совокупность элементарных стадий химической реакции, совершающихся последовательно или параллельно, называется механизмом химической реакции.

Для химика очень важно знать, от каких факторов зависит скорость химической реакции. Например, важна зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Чтобы доказать это, выполните опыт. Ответы на вопросы запишите в тетрадь, сделайте выводы.

О п ы т 1. «Скорость реакции окисления йодоводорода пероксидом водорода»

Налейте в цилиндр 10 мл разбавленного раствора йодида калия, 10 мл раствора серной кислоты, 20 мл воды и 5 мл раствора крахмала. В другой цилиндр налейте 20 мл раствора йодида калия той же концентрации, 20 мл раствора серной кислоты и 5 мл раствора крахмала. Растворы тщательно перемешайте стеклянной палочкой. Затем одновременно добавьте в каждый цилиндр по 5 мл раствора пероксида водорода H₂O₂ (1:10). Включите секундомер и наблюдайте, через какой промежуток времени появится синее окрашивание в каждом из цилиндров. Происходящие реакции выражаются следующими уравнениями:

2KI + H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2HI,

2HI + H₂O₂ = 2H₂O + I₂.

Выделяющийся йод дает с крахмалом синюю окраску.

В каком из цилиндров окраска появилась раньше?

Почему в этом цилиндре она появилась за меньший промежуток времени?

Учитель химии. Подробным изучением механизмов химических реакций, зависимостей скоростей протекания реакций от условий их проведения занимается химическая кинетика. Послушаем сообщение ученика.

3-й ученик. Уже давно было замечено, что некоторые вещества способны заметно увеличивать скорость химической реакции, хотя сами при этом не расходуются. Такие вещества называют катализаторами. Например, пероксид водорода при комнатной температуре разлагается:

2Н₂О₂ = 2Н₂О + O₂,

но медленно. В присутствии платины скорость его разложения возрастает, фермент каталаза (содержится в крови) также увеличивает скорость реакции.

Катализатор не расходуется в химическом процессе, но это не означает, что он в нем не участвует. Катализатор включается в промежуточные стадии процесса и регенерируется в конце его. Поэтому в итоговом уравнении реакции он не фигурирует.

Мир катализаторов широк и многообразен, как и способы их действия. Но в целом можно сказать, что катализатор изменяет и направляет процесс по энергетически более выгодному пути. При этом, что особенно важно, катализаторы могут вызывать протекание с заметной скоростью таких процессов, которые без них практически не идут.

Каждый катализатор может ускорить лишь определенные классы реакции, а в ряде случаев – только отдельные реакции. Такая особенность катализаторов называется селективностью (избирательностью). Наибольшей селективностью и эффективностью отличаются биологические катализаторы – ферменты.

Есть вещества, которые замедляют или вообще прекращают химические процессы. Их называют ингибиторами. Однако в отличие от катализаторов ингибиторы расходуются в ходе реакции.

Учащиеся проводят опыт – влияние катализатора на скорость реакции. Выводы записывают в тетрадь.

О п ы т 2. «Влияние катализатора на скорость реакции»

Возьмите два стакана и налейте в них по 10 мл раствора пероксида водорода. Происходят ли при этом какие-либо изменения? Затем положите в один из стаканов несколько гранул диоксида марганца.

Что при этом наблюдается?

Как доказать, какой газ выделяется в одном из стаканов?

Как объяснить результат этого опыта?

Какую роль при этом играет диоксид марганца?

5. Движение в живой природе

Учитель биологии. Подвижность – одно из фундаментальных свойств живого. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц, – это и бег кота, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве. Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток – движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, расхождение хромосом делящейся клетки. Есть ли что-либо общее между всеми этими столь различными на первый взгляд процессами?

Эразм Дарвин, родной дед Чарльза Дарвина, в своем знаменитом произведении «Храм природы» поражается разнообразию форм движения микроскопических существ. Вряд ли мог он в то время предполагать, что в основе двигательной активности многих простейших и движений его руки, водящей пером по бумаге, в сущности, лежат одни и те же молекулярные механизмы. Выяснить это удалось только с началом эры электронной микроскопии и появлением приборов для проведения тонких биохимических экспериментов, которые позволяют ученым-биологам работать на уровне клеток и молекул.

Из приведенных примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением. Что же является причиной движения живых организмов?

Субстратом жизни являются полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Именно химические реакции и являются причиной механического движения живых организмов. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки–молекулярные моторы. Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т.е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является миозин, молекула которого при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити.

При повороте головка способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Ее поставляет молекула АТФ – универсальный источник энергии для клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50 %). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий циклически, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул – миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити.

А сейчас послушаем сообщение ученика.

Учащийся выступает с сообщением «Универсальный характер биологического движения», которое сопровождается компьютерной презентацией.

4-й ученик. Описанные биологические моторы обусловливают самые различные движения живых организмов. Примерами таких движений являются изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления, движение жгутиков и ресничек простейших живых организмов (жгутиконосцы, инфузории), амебовидное движение – одно из самых распространенных способов перемещения клеток.

Так, например, исследование амебовидного движения показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост – псевдоподия, – который закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется.

Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов – элементов крови человека и позвоночных животных, участвующих в иммунном ответе организма. Перемещаясь как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм.

Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук пловца, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение. Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой микротрубочке прикреплены «ручки», образованные белком – молекулярным мотором.

Цикл движения состоит в том, что «ручки» микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин-миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если одни из концов микротрубочек скреплены между собой, то при циклическом движении «ручек» происходит изгиб микротрубочек.

Ученики записывают в тетрадь вывод: несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ и составляющих их организмов, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.

6. Движение как распространение. Волны

Учитель физики. Движение волн человек наблюдал с древних времен. Научное понятие появилось значительно позднее. Что же такое волна? В литературных произведениях под волнами обычно понимаются гребни, следующие один за другим. Однако выделить один гребень и рассматривать лишь его было бы неправильно. В науке о природе под волной понимают все совокупное движение в какой-либо области пространства. Мы можем измерить время, за которое волна дошла от места падения камня до некоторой точки на поверхности воды, и, зная это расстояние, вычислить скорость волны. Однако движение волны не является движением, перемещением в том же направлении частичек воды. В этом легко убедиться, бросив в волну щепку. Если бы частички воды двигались вместе с волной, они увлекали бы за собой щепку, однако щепка, поколебавшись с волной, остается на месте.

Волна на воде – это процесс распространения колебания частиц. В более общем случае, например в электромагнитной волне, колеблются не частицы, а поля. При этом нельзя сказать, что поле перемещается в пространстве. Оно просто исчезает в одной точке пространства и возникает в другой. Таким образом, можно сделать вывод, что волна – это процесс распространения колебаний в различных системах.

Вывод: волна – это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

О п ы т 3. «Демонстрация волны»

Рукой натягивается веревка и затем движением руки вверх и вниз по веревке «посылается» волна (рис. 3).

Учащиеся выступают с сообщениями, сопровождающимися компьютерной презентацией.

5-й ученик. Попробуем ответить на вопросы: где в природе встречаются волны? Волны существуют везде. В различных уголках нашей огромной Вселенной можно найти места, где практически нет вещества – атомов, молекул. Однако даже туда доходит свет звезд, который представляет собой электромагнитную волну. Но, может быть, закрывшись в темной комнате, мы спрячемся от волн? И это невозможно. В комнату проникают радиоволны, а стены комнаты и мы сами излучаем электромагнитные волны, невидимые для глаза.

Природа волн очень разнообразна, однако увидеть их можно только в исключительных случаях, примером являются волны на поверхности воды или в натянутой веревке. В этих случаях мы видим колебания. Другие волны невидимы и могут быть изучены только при помощи специальных приборов. Например звук, представляющий собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Доходя до барабанной перепонки уха, они вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания, можно лишь используя приборы. Звук распространяется не только в газах, но и в жидкостях, и твердых телах, важно, чтобы тела обладали достаточной упругостью. Более общее название таких волн – волны упругости. К подобным волнам относятся также и волны в натянутых нитях, например волны в струнах музыкальных инструментов.

При распространении волн упругости происходит движение частиц, составляющих вещество. При распространении электромагнитных волн никакие частицы не движутся, происходит просто изменение электрических и магнитных полей в пространстве. Электромагнитные поля обычно регистрируются приборами, некоторые из них, например свет, воспринимаются органами зрения, хотя никаких колебаний мы при этом не видим. Этих примеров достаточно, чтобы составить представление о большом разнообразии волн.

Ученики записывают в тетрадь вывод: волны могут иметь разнообразную природу (волны на поверхности жидкости, волны упругости, электромагнитные волны). В природе волны встречаются повсеместно.

6-й ученик. Такой объект природы, как волны, совсем не похож на частицы, а «элементарные кирпичики», из которых можно составить любую волну, – синусоидальные волны, бесконечны в пространстве и во времени. Тем не менее, у волн и частиц есть общие свойства. Начнем с примера. Бросив камень, можно разбить стекло. Но, как вы, наверное, знаете, оконные стекла разбиваются при взрывах, в результате которых образуется ударная звуковая волна. Следовательно, такая волна действует с некоторой силой на стекло. Какими должны быть свойства брошенного камня, чтобы он разбил стекло? У него должна быть достаточно большая масса и достаточно большая скорость. Произведение этих величин называется импульс тела. Можно сделать вывод, что волна обладает импульсом и переносит его через пространство. Это свойство характерно для волн любой природы.

Примером проявления импульса волны являются хвосты комет. Они возникают вследствие того, что при приближении кометы к Солнцу вещество кометы испаряется, и образующийся газ под воздействием солнечных лучей начинает светиться. Поскольку солнечные лучи (электромагнитная волна) обладают импульсом, они давят на газ, отклоняя его в направлении, противоположном Солнцу. Поэтому хвосты комет всегда вытянуты в сторону от Солнца.

Помимо импульса, волны обладают энергией и переносят энергию через пространство. То, что электромагнитная волна, приходящая к нам от Солнца, снабжает нас энергией, необходимой для жизни, мы, конечно, знаем. Однако энергией обладают любые волны. В последнее время, например, ведутся активные работы по использованию энергии морских волн для производства электроэнергии.

Ученики записывают в тетрадь вывод: волны и частицы обладают некоторыми общими свойствами; волна любой природы переносит энергию и импульс через пространство.

7. Закрепление материала

На заключительном этапе урока учащимся предлагаются вопросы и задания.

1. По произведению А.С.Пушкина «Руслан и Людмила».

...Там на неведомых дорожках следы невиданных зверей...

Вопрос. Можно ли по следам определить направление движения зверей? Что называется траекторией?

(О т в е т. По следам зверей действительно
можно определить направление их движе
ния. Траекторией называется невидимая
или видимая линия, которую описывает
тело при своем движении.)

2. По произведению Н.В.Гоголя «Вечера на хуторе близ Диканьки».

А Черевик, как будто облитый горячим кипятком, схвативши на голову горшок вместо шапки, бросился к дверям и, как полоумный, бежал по улицам, не видя земли под собою, одна усталость только заставила его уменьшить немного скорость бега.

Вопрос. Как называется такое движение?

(О т в е т. Поскольку скорость Черевика уменьшилась,
то это движение равнозамедленное.)

В изнеможении готов уже был он (Черевик) упасть на землю, как вдруг послышалось ему, что сзади кто-то гонится за ним... Дух у него занялся... «Черт! Черт!» – кричал он без памяти, утроя силы...

Вопрос. А как называется этот вид движения?

(О т в е т. Такой вид движения называется равноускоренным.)

3. Отгадайте загадку.

Один говорит: «Побежим, побежим», другой говорит: «Постоим, постоим», третий говорит: «Пошатаемся, пошатаемся».

(О т в е т. Вода, берег, трава.)

Вопрос. Объясните эту загадку с точки зрения относительности движения.

(О т в е т. Вода движется относительно берега,
трава колеблется относительно берега.)

4. Вопрос. Почему железная проволока не горит на воздухе, но сгорает в чистом кислороде?

(О т в е т. Потому что в воздухе нет достаточной концентрации кислорода.)

5. Вопрос. Скорость реакции водорода с хлором в некоторых условиях описывается уравнением:

= k[H₂][Cl₂]^1/2,

а водорода с парами йода:

= k[H₂][I₂].

Как изменится скорость этих реакций, если при неизменной температуре в 4 раза увеличить общее давление в смеси? (Предполагается, что механизмы обеих реакций при этом не изменяются, и, соответственно, не изменяются кинетические уравнения.)

(О т в е т. При повышении давления в 4 раза во столько же раз повысятся концентрации водорода и паров йода, а скорость реакции увеличится в 16 раз. В случае же реакции водорода с хлором концентрации реагентов также увеличиваются в 4 раза, но скорость реакции увеличится, в соответствии с кинетическим уравнением, только в 4•4^1/2 = 8 раз.)

6. Вопрос. Может ли реакция синтеза аммиака:

3H₂ + N₂ 2NH₃

идти в одну стадию?

Можно ли для этой реакции записать уравнение скорости в виде:

= k[H₂]³[N₂]?

Почему?

(О т в е т. Одностадийная реакция: 3H₂ + N₂ = 2NH₃
потребовала бы столкновения четырех молекул
с одновременным разрывом и образованием шести химических связей,
что практически невозможно. Поэтому скорость этой реакции
никогда не описывается уравнением: = k[H₂]³[N₂].)

8. Итог урока

Учитель химии. Вот и подошел к концу наш урок. На нем мы попытались объединить знания химии, физики, биологии о таком универсальном природном явлении, как движение.

Движение в сложных системах представляет собой совокупность различных форм движений, взаимосвязанных между собой. Всем видам движения присущи некоторые общие качества, в частности, перенос энергии, импульса, информации. При движении в сложных системах может происходить образование нового качества и новых структур.

Всем спасибо за урок!

Л и т е р а т у р а

Леенсон И.А. Химические реакции: Тепловой эффект, равновесие, скорость. М.: АСТ; Астрель, 2002.

С.Г.ЩЕРБАКОВА,
учитель химии
средней школы № 134 «Дарование»
(г. Волгоград)