Методические особенности преподавания физики в монопрофильной школе (углубленное изучение химии)

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ
В МОНОПРОФИЛЬНОЙ ШКОЛЕ
(УГЛУБЛЕННОЕ ИЗУЧЕНИЕ ХИМИИ)
Физика и химия сравнительно недавно сформировались как самостоятельные научные дисциплины, и каждая из них - наука о природе. Химия неотделима от физики: у нее нет своих законов. Все законы химии, к примеру, периодический или закон сохранения массы, имеют физическую природу. Основные теории химии тоже родом из физики, это - квантовая механика, кинетика и термодинамика (последние две упоминаются со словом "химическая"). Главное же отличие физики от химии заключается в том, что физика изучает то, что дала природа, химия - в основном т о, что создала сама, т.е. новые вещества, которых в природе не существовало.
Каким образом, "обслуживая" химию при профильном обучении, можно существенно повысить и физический ресурс? Во-первых, это адаптация по времени и содержанию программы по физике для углубленного изучения химии. Например, в молекулярно-кинетической теории объединенный газовый закон традиционно рассматривается тогда, когда химики уже оперируют и уравнением состояния и газовыми законами. Введение элементов молекулярной физики в 9 классе перед темой "Физика атома и атомного ядра" вполне оправдано и не нарушает логику курса. Одновременно возникает выигрыш во времени в 10 классе, т.к. ко 2-му полугодию в курсе химии уже успеют решить массу задач по молекулярной физике, рассмотрение которых только должно начаться.
На проблеме решения задач хочу остановиться особо. Задачи не есть дополнение к общему курсу физики. Это и есть сама физика, кстати, очень интересная. Ученик, не умеющий решать задачи, физику не знает, как бы лихо он не пересказывал формулировки законов. Это заложено и в материалы ЕГЭ, но вот в программе базового уровня обучения об этом просто забыли. В поддерживающем курсе добавлен всего один час, но даже он при работе на общий реtсодержанием, во-первых, еще раз обозначат важность знаний по физике, во-вторых, сделают знания более системными.
Приведу конкретные и наиболее интересные примеры, кратко представляя фрагмент физики и соответствующие задачи.
1. "Краткая история" жизни Вселенной. Химия - язык жизни. Жизнь основана на атомах, молекулах и сложных химических реакциях между ними. Естественно, возникает вопрос о происхождении атомов. Согласно широко распространенной модели, Вселенная образовалась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и продолжает расширяться до сих пор. История Вселенной может быть представлена как серия процессов слияния простых частиц в более сложные по мере понижения температуры. В этой череде процессов жизнь можно рассматривать как особое явление, происходящее на Земле при умеренной температуре.
Легкие элементы, в основном водород и гелий, образовались в первые минуты после Большого взрыва, когда молодая Вселенная быстро расширялась и поэтому быстро охлаждалась. Звезды - особые объекты во Вселенной: при их образовании температура не падает, а повышается. Они важны с точки зрения химии, т.к. в их недрах при температурах в десятки миллионов градусов происходит образование тяжелых химических элементов, необходимых для жизни. Температуру расширяющейся Вселенной можно оценить по формуле: Т = 1010/ t1/2
где Т - средняя температура Вселенной в Кельвинах, а t - время (возраст вселенной) в секундах.
1.1. Оцените температуру Вселенной через 1 с после Большого взрыва. когда Вселенная была еще слишком горячая для того, чтобы протоны и нейтроны могли объединиться в яядра гелия. Ответ дать с одной значащей цифрой.
1.2. Оцените температуру Вселенной через 3 минуты, когда термоядерный синтез гелия был почти завершен.
1.3. Оцените возраст Вселенной, когда температура снизилась до 3000 К и началось образование первых атомов водорода и гелия из ядер и электронов.
1.4. Оцените среднюю температуру Вселенной через 300 миллионов лет после Большого взрыва, когда появились первые звезды и галактики.
1.5. Оцените среднюю температуру Вселенной в наше время и сравните ее с температурой микроволнового реликтового излучения (3 К). Ответ дать с одной значащей цифрой.
2. Водород в открытом космосе. Водород - самый распространенный элемент во Вселенной: 75% массы Вселенной приходится на водород, остальное - гелий с очень небольшой долей других элементов. Однако, водород - не только самый распространенный элемент, но и исходное вещество для термоядерного синтеза всех других элементов. Водород составляет основу многих звезд, и, следовательно, Путь, содержащий более 100 миллиардов звезд, чрезвычайно богат водородом. Межзвездное пространство также в основном заполнено водородом. Основной элемент межгалактического пространства также водород, хотя плотность вещества очень мала даже по сравнению с межзвездной: она составляет 1 атом на кубометр пространства при температуре 2,7 К.
2.1. Рассчитайте среднюю длину свободного пробега водорода в межгалактическом пространстве. В межзвездном пространстве средняя плотность вещества составляет 1 атом на кубический сантиметр, а средняя температура около 40 К.
2.2. Рассчитайте среднюю длину свободного пробега атома водорода в межзвездном пространстве.
2.3. Рассчитайте среднюю скорость атома водорода в межзвездном пространстве.
3. Атом водорода.
3.1. Во Вселенной около 1023 звезд. Предположим, что все они - такие же, как Солнце (радиус 700 000 км, плотность 1,4 г/см3, состав - 3/4 водорода и 1/4 гелия по массе). Оцените число протонов во Вселенной.
3.2. В 1919 году Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакци., бом массы состоит из водорода Нбардируя азот альфа-частицами, и обнаружил, что при этом образуются положительные ионы водорода. Резерфорд назвал эти частицы "протонами". Напишите уравнение этой ядерной реакции.
4. Уравнение идеального газа и ядро Солнца. Солнце на 36% массы состоит из водорода Н и на 64% из гелия Не. В ядре Солнца при высоких температурах и давлении атомы теряют электроны, что позволяет ядрам сближаться на расстояния меньше радиуса атома. Такое ионизированное состояние называют плазмой. В ядре Солнца плотность вещества равна 158 г/см3, а давление 2,5 х 1011 атм.
4.1. Рассчитайте общее число молей протонов, ядер гелия и электронов в 1 см3 солнечного ядра.
4.2. Используя уравнение идеального газа, оцените температуру в ядре Солнца и сравните с температурой, необходимой для термоядерного синтеза гелия из водорода (1,5 х 107 К).
5. Строение ядер атомов. Ядерные реакции.
5.1. Хлорид натрия-24 используют для изучения натриевого баланса живых организмов. Образец содержит 0,050 мг натрия-24. Через 24Э9 ч содержание натрия-24 уменьшилось до 0,016 мг. Рассчитайте период полураспада натрия-24.
5.2. Период полураспада радиоактивного изотопа Sr, который попадает в атмосферу при ядерных испытаниях, 28,1 лет. Предположим, что организм новорожденного ребенка поглотил 100 мг этого изотопа. Сколько стронция останется в организме через: а) 18 лет; б) 70 лет, если считать, что он не выводится из организма?
6. Химическая термодинамика. Химическая термодинамика - раздел физической химии, который изучает равновесные химические системы и описывает взаимные превращения теплоты и энергии в химических процессах. С помощью химической термодинамики можно решать многие практически важные задачи: 1) измерять и рассчитывать тепловсые эффекты химических реакций; 2) определять, в какую сторону пойдет реакция при данных условиях; 3) рассчитывать количественный состав равновесных смесей.
6.1. Напишите уравнение полного сгорания газообразных пропана и бутана на воздухе. В уравнениях укажите агрегатное состояние веществ ( (ж), (г) или (т)) при стандартном давлении и температуре 250С. Сколько воздуха (объемный состав - 21% кислорода и 79% азота) потребуется для полного сгорания 1 моля пропана и бутана. Примите, что кислород и азот = идеальные газы. Продукты сгорания обычно образуются не при комнатной, а при более высокой температуре. Предположим, что в указанных реакциях исходные вещества находятся при температуре 250С, а продукты - при 1000С, давление везде стандартное.
7. Да или нет.
7.1. Водород - на. более распространенный элемент в ядре Солнца.
7.2. Водород - единственный элемент, ядро которого может быть устойчивым без нейтрона. У остальных элементов наличие нейтронов - обязательное требование для устойчивости ядра.
7.3. Число нейтронов в тяжелых ядрах превышает число протонов, потому что электростатическое отталкивание между протонами является дальнодействующим, а сильное взаимодействие между нуклонами 0- короткодействующим.
7.4. Гелий занимает второе место по распространению во Вселенной. Мольное отношение ядер водорода (протонов) к ядрам гелия равно 3:1.
7.5. Первый гелий во Вселенной образовался внутри первой звезды.
7.6. Масса альфа-частицы равна удвоенной сумме масс протона и нейтрона.
7.7. Во Вселенной нейтральные атомы образовались до рождения первой звезды.
7.8. Открытие Менделеевым периодического закона предшествовало открытию аргона.
7.9. Энергия ионизации атома водорода больше энергии связи в молекуле водорода.
Верно: 2, 3, 7, 8, 9.
Хочу отметить, что некоторые из приведенных задач являются олимпиадными, причем высокого международного уровня. Физическая жн составляющая во многом стандартна.
Согласованная работа с преподавателями химии имеет и обратный вектор - от химии к физике. Мною составлены мини-сборники задач по от дельным разделам физики ("Молекулярная физика", "Термодинамика", "Квантовая физика" и т.д.), содержащие элементы физических теорий и набор упражнений, которыми пользуются учителя химии. Физическая основа позволяет углубить химические знания. Одновременно это отличное дополнение к урокам физики по решению задач, дефицит которых испытывают, думаю, все, кто работает на базовом уровне. Предлагаемые примеры и взяты из таких сборников. Сегодня очевидно: ни один из предметов естественного цикла не может решить проблемы обучения только своими методами. Лишь совместные усилия учителей дадут ученику ту нить, которая свяжет в единую, цельную картину мироздания окружающие нас и разолзненные, на первый взгляд, явления.
Литература:
Лунин В.В.Основы физической химии. М., Экзамен, 2005.
Еремин В.В. Теоретическая и математическая химия. Ь., МЦНМО, 2007.
Материалы международной химической олимпиады школьников. Корея, 2006.