ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИСТОЧНИКАМ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ В ИНТЕГРАЦИИ НА УРОКАХ ФИЗИКЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются возможности межпредметной интеграции в образовании, показаны возможности интеграции учебных материалов по альтернативным источникам энергии на уроках физике, доказано, процесс работы устройств альтернативных источников энергии объясняется на основе законов физики.

Ключевые слова: межпредметная интеграция, виды природной энергии, природные проблемы, учебный процесс.

В настоящее время система образования, исходя из цели каждого предмета, предусматривает обучение множеству научно-теоретических и научно-технических понятий. В процессе урока появляется необходимость непрерывного ознакомления обучающихся c современными достижениями науки и техники.

При обучении точным и естественным наукам использование межпредметной интеграции служит усовершенствованию системы обучения этим наукам. В системе образования естественные науки приобретают важные качества: значение, смысл и содержание. В процессе образования учителя и ученики выражают свои знания, способности и навыки через различные познавательные методы в формах сопоставления, обобщения, определения, анализа, синтеза, дедукции, индукции. В процессе образования используемые методы, способы и формы обучения отличаются разнообразием.

Использование межпредметной интеграции в процессе образования ускоряет генерализацию знаний, возникающих в сознании и представлении обучающихся. В результате этого формируются навыки освоения данных,их логического осознания и самостоятельного обсуждения. Если использовать межпредметную интеграцию при изложении новой темы, это послужит повышению интереса учеников к предмету и уровня успеваемости.

Внедрение межпредметной интеграции в образование предусматривает профессиональную ориентированность, непрерывность образования, межпредметную взаимосвязь, интерес обучающихся к изучаемому предмету и политехническое образование. А на практике встречается следующий вид межпредметной интеграции: программный анализ по составным учебным материалам, а также по темам. В процессе урока межпредметная интеграция используется в виде таблиц, схем и слайдов.

Использование современных технологий в процессе организации образования проявляет и развивает у учеников, осваивающих учебный предмет, такие способности, как интересы, мировоззрение, образ жизни, настроение, профессиональное и умственное размышление. При выполнении образовательного процесса на основании межпредметной интеграции и интегративного подхода у учителей в ведении их деятельности имеются следующие возможности для профессионального развития:

– в каждую тему внедрять межпредметную интеграцию;

–обеспечивать интересную, необременительную систему обучения;

–создавать учебные материалы для многоразового использования;

–организовывать такой учебный процесс, где ученики могут в любое время обратиться к учебным материалам;

–подготавливать мультимедийные материалы, объясняющие содержание темы;

–обмениваться опытом с другими учителями через Интернет;

– эффективно вести, управлять и хранить работы учеников, а также экономия времени[2, с. 23].

В результате внедрения межпредметной интеграции учителя не только обновляют свои знания, но и получают возможности больше работать над собой, накапливая свои теоретические знания.

В процессе обучения физике, химии, биологии, географии, а также другим предметам, которые составляют основу точных и естественных наук, результатом внедрения межпредметной интеграции является формирование у учеников таких способностей, как научное мировоззрение, логическое мышление, умственное развитие, самопознание.

За счет внедрения межпредметной интеграции при обучении точным и естественным наукам повышается уровень успеваемости обучаемых, укрепляются их знания, развивается логическое и творческое мышление, экономится время на усвоение темы, формируются навыки самостоятельной работы.

В том числе знания по законам физики приобретают большое значение в формировании научного мировоззрения учеников, в усовершенствовании учебно-воспитательного процесса и его оптимальной организации.

В системе образования возможность использования межпредметной интеграции определяется учебной программой, содержанием и объемом темы, причем учебная программа каждого предмета зависит еще и от задач, стоящих перед другими предметами. Список этих задач при ведении той или иной темы программы поможет учителю определить, на какие усвоенные при изучении других предметов знания можно опираться. Например, при решении задач по физике учитывается то, что изучены правила округления цифр на уроке математики; а при изучении кинематики, законов газа, электромагнитных волн опираются на знания по построению функций и графиков. Также некоторые знания про понятия физики применяются в процессе изучения других предметов.

В качестве примера можно привести следующее: знания о магнитном поле Земли, плазме и их свойствах пригодятся при изучении астрономии; а знания о видах материй, их движении и других понятиях используются в географии и других предметах.

Ученики должны освоить предмет физику, которая развивается с каждым днем и составляет основу естественных наук. Настоящее время требует возбудить в них интерес к науке, ознакомить с новыми изобретениями, исследованиями в области физики, а также дать им образование, основанное на интегрировании с техническими предметами.

Современная наука физика непосредственно связана со многими естественными науками, а это является причиной возникновения новых областей науки. Например, нанофизика, нанохимия, нанотехнология, нанобиотехнология и другие области являются продуктом взаимодействия физики с другими науками.

Давайте рассмотрим в системе непрерывного образования возможности использования альтернативных источников энергии на уроках физики, которая является одной из естественных наук. В процессе объяснения некоторых тем программы по применению на практике физических законов и явлений наряду с другими примерами можно использовать учебные элементы по альтернативным источникам энергии; при решениизадач технического содержания важно выбрать примеры по альтернативным источникам энергии.

Сведения об альтернативных источниках энергии, предоставляемые на уроках физики, взаимосвязаныс темами, и они помогают в выполнении образовательного ивоспитательного процессов, предусмотренных в учебной программе. Например, процесс работыустройств альтернативных источников энергииобъясняется на основе законов физики. А для объяснения процессов работ устройств, работающих на основеальтернативных источников энергии, таких как сушители, водоопреснители, водонагреватели, парники, холодильники, солнечные концентраторы, фотоэлементы и других устройств, целесообразно использовать закон сохранения и превращения энергии или закон об отражении и преломлении света.

Объяснение сведений об альтернативных источниках энергии с точки зрения физики поможет ученикам, во-первых, обосновать проблему с научной стороны, во-вторых,иметь полное представление о важных отраслях современной науки, в-третьих,иметь возможность применения полученных теоретических знанийна практике. Сведения об альтернативных источниках энергии взаимосвязаны с темами курса физикии помогут объяснить внедрение к технике.

Если учитель организует процесс урока на основе наглядных пособий,то это поможет ученикам быстро и легко понять суть изучаемых тем. Когда урок ведетсяна основенаглядных пособий, ученикине только прочно усваивают предоставляемые знания, но иучатся связывать полученные знания с производством, с разными отраслями техники. Ведение урока таким способом и использование данных по альтернативным источникам энергииоткрывает и учителю широкие возможности. 

На уроках физики при объяснении тем «Испарение и конденсация», «Насыщенные и ненасыщенные пары» можно использовать наряду с другими примерами сведения о гелиотехнике.

Переход материи в состояние пара (газа) называется испарением. Учитель объясняет, что такое испарение, с помощью нескольких примеров. В процессе объяснения темы, используя примеры, можно привести сведения о тепло-аккумуляторных гелиопарниках и способе их работы (рис. 1).

Также можно использовать в качестве примеров испарение воды в гелиопарниках, процесс работы солнечной сушилки фруктов и каракуля. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре, называется удельной теплотой парообразования и отмечается буквойr (1):

                                                          (1)

Здесь, Q – количество тепла, m – масса жидкости.

Размерность удельной теплоты парообразования в системе СИ – Дж/кг.

Конденсация. Для того чтобы ис­па­рить жид­кость, ей необ­хо­ди­мо пе­ре­дать некое ко­ли­че­ство теп­ло­ты, а при кон­ден­са­ции пар сам от­дает в окру­жа­ю­щую среду некое ко­ли­че­ство теп­ло­ты. Состояние пара, который при охлаждении или сжатии переходит в жидкость или кристалл, называется конденсацией[3, с. 146].

Конденсация происходит двумя способами. Когда молекулы пара попадают в сферу влияния молекул жидкости, они охлаждаются. В результате этого энергии молекул пара уменьшаются и, соединяясь, создают капли, которые падают обратно в жидкость. Наряду с объяснениями о состоянии конденсации на основе примеров природы можно привести несколько примеров о гелиоопреснителях, гелиопарниках, гелиосушителях. Если жидкость динамически балансируется с паром, то это называется насыщенным паром.

На рисунке 1 изображен односкатный гелиопарник, прозрачная поверхность которого смотрит на юг. Длина ромбов –2,05 м, широта – 1 м, скат к горизонту – 39°, расстояние между прозрачными слоями– 2,5 см.

Рисунок 1. Схема поперечного сечения теплоаккумуляторного гелиопарника, он состоит из следующих частей: 1 – ромб, покрытый зеркалом;2 – теплоаккумулятор, 3 – почвапарника, 4 – растения

Кроме этого, на темах уроков физики«Электрический ток в полупроводниках», «Электропроводимость полупроводников и ее зависимость оттемпературы», «Частная исмешанная проводимостьполупроводников» можно привести примеры по гелиотехнике. Здесь в качестве примера можно привести принцип работы солнечных фотоэлементов[1, с. 253-257].

В солнечных фотоэлементах настоящего времени используются полупроводниковые материалы, такие как германий, кремний, галий, теллур и др. Для этого, прежде всего,нужно знать электропроводимость пролупроводников, их структуру, взаимосвязанность атомов, их химические свойства.Здесь можно повторить полученные учениками знания по химии.

Рассмотрим один из типичных представителей полупроводников – германий. Его порядковый номер 32,имеет 4 внешние электронные оболочки, расположены: в первой оболочке – 2, во второй – 8, в третьей – 18, в четвертой– 4 электрона. В трех внутренних оболочках электроны устойчивые, не участвуют в химических реакциях. В последней, четвертой оболочке электроны слабо связаны с ядром атома (рис. 2).

Рисунок 2. Структура электронных оболочек германия

Валентность полупроводников определяется по количеству электронов во внешней оболочке. Валентностьгермания, у которого 4 электрона во внешней оболочке, равна четырем.Под действием меньшей энергииэлектроны в последней оболочке освобождаются. Вот эти электронылегко входят в реакцию с атомами других элементов.

Способов использования Солнечной энергии – множество. Один из них – получение электроэнергии с помощью полупроводниковых солнечных батарей.

Использование в качестве солнечной батареи полупроводниковых фотоэлементов обязывает знать спектральную структуру радиации, которая идет от Солнца. Поэтому при приготовлении солнечной батареи, зная оптические свойства полупроводника, показывающего, какими частями солнечного спектра можно пользоваться, и электрические свойства, которые характеризуют эффективное превращение солнечной энергии в электроэнергию, можно выбрать подходящий материал для полупроводника.

Один из важных показателей полупроводника, влияющий на его качество, – недопустимая ширина зоны –E_g.

Рисунок 3. Схема p-n-перехода

Процесс превращения солнечной энергии в электроэнергию выполняется через фотоэлектрический эффект. Он возникает в виде свободных электронов на толщине 2-3мкм внешних слоев полупроводника. При возникновении свободных электронов на поверхности полупроводника и разницы в электрических потенциалах появляется электрический ток. Разница в электрических потенциалах возникаетза счет добавления специальных изменений во внешние слои теневой части иизлучаемой поверхности полупроводника (рис. 3).

Одно из дополнений (n-типные) создает заряд отрицательной поверхности и дополнительных электронов, а второе (p-типные)–недостаточность электронов, а иначе говоря, положительный заряд.

Из-за диффузии электронов на границе возникает разница потенциалов. Если осветитьполупроводник с проходным отверстием (p-типные), то его электроны поглощают кванты и переходят к полупроводнику с электронным проходником. Здесь в закрытой цепочке возникает электрический ток.

Часто пользуются солнечными элементами с кремнием. Кремний является самым распространенным на Земле элементом. Элементы получаются путем расплавления кремния и выращиванием кристаллов кремния в виде стержня диаметром 5-10 см. Чтобы получить непосредственно полупроводники, эти стержни делятся на тонкие пластины толщиной примерно 300 мкм. Именно они являются основной частью фотоэлектрических элементов[3, с. 42]. 

Необходимо привести сведения об использовании солнечных фотоэлементов, о сферах их применения. Эти же сведения о солнечных фотоэлементах можно еще использовать и в процессе проведения темы«Закон сохранения и превращения энергии». Объясняется процесс превращения солнечной световой энергии в электроэнергию, превращениеэтой электроэнергиив механическую энергию, а также возможность превращения полученной энергии снова всветовуюэнергию.

В объяснении тем раздела «Оптика»имеются широкие возможности использования элементовгелиотехники.

В процессе изучения тем «Закон отражения и преломления света», «Формулы линз и тонких линз», «Полный внутренний возврат» можно использовать элементыгелиотехники.

Известно, что когда лучи светапопадают на прозрачную поверхность, они при переходе из одной среды в другую ломаются.

Закон преломления света таков:«Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина, постоянная для двух данных сред»

                                                                 (2)

n₂₁ – постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

                                                            (3)

Если свет переходит от среды с большим показателем преломления (оптически плотной среды) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной среды) (n₁>n₂), то:

                                                       (4)

Здесь преломленный лучбольше удаляется от перпендикуляра, и угол преломления  больше угла падения . С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления.

Можно привести множество примеровпо закону преломления света. Низкотемпературные гелиоустройства покрываются стеклом или полиэтиленовой пленкой. Поэтому солнечная энергия проникает во внутрь устройства через преломление.

Солнечные устройства типа «теплого ящика», которые работают, не собирая энергию солнечных лучей, называются низкотемпературными солнечными устройствами.

К низкотемпературным солнечным устройствам относятся: 1) солнечные водоопреснители; 2) солнечные водонагреватели; 3) солнечные парники; 4) солнечные сушители; 5) солнечные холодильники.

Эти устройства работают по типу«теплого ящика», поэтому ознакомимся спринципом его работы.«Теплый ящик» состоитиздерева, металла или бетонного ящика. Изготовленизчерной металлической пластины, горных камней, устанавливается в рабочее тело, которое поглощает воду, лучи света. Верхняя часть покрыта стеклом или полиэтиленовой пленкой (рис. 4). Изготовленный ящик устанавливается под углом 20-40^ок южной стороне. Известная часть падающих световых лучей переходит через стекло и поглощаетсярабочим телом.

Причина поднятия температуры – в парниковом эффекте.Физическое объяснение этого процессатаково: мы знаем, что чем выше температуратела поднимается, тем короче длина волнысвета, исходящего из него. 

Длина волн лучей, исходящих из Солнца, коротка, стекло хорошо проводит такие волны. Под воздействиемпоглощенных лучей из-за низкой температуры от согретого рабочего телаисходятдлинные волны. Такие волны стекло плохо проводит. В результате ящик превращается вклетку, удерживающую свет. Внутри него поднимается температура. Это явление называется«парниковым эффектом».

Рисунок 4.«Теплый ящик» и его устройство: 1 – металлический или бетонный ящик,2 – зеркало,3 – дно ящика

Потеря «удержанной» энергии в окрестностях и коэффициенты полезного действия переходящей через стекло и падающей на солнечное устройство энергии определяются следующими формулами:

Q_перех=

Q_перех=Q_{рас.в окр.ср.}+ Q_{полез.эн.}+ Q_{потерян}

Здесь: Q_паден. – солнечная энергия лучей, падающих на устройство;β –коэффициент лучепроводимости стекла, зависит от угла падения луча; Q_{рас.в окр.ср} – энергия, которая рассеивается в окружающую среду с устройства; Q_{полез.эн} – полезная энергия, которая выполняет работу в устройстве; Q_{потерян} – количество потеряннойс устройства энергии.

В качестве примера можно привести преломление лучей с прозрачнойповерхностиустройств, похожих насолнечные парники, солнечные воздухонагреватели, солнечные водонагреватели, солнечные дома.

В южных районах Узбекистана и Центральной Азии имеется возможность утеплять парники и теплицыс помощью солнечных лучей и за счет этой энергии сэкономитьчасть топлива. Значит, рациональное использование солнечной энергии прямо пропорционально экономии топлива и расходам на это.

Если взять в качестве примера количество топлива, растрачиваемого для сушки фруктов в обычных сушителях, то четко отражается весомость количества топлива, которое можно сэкономить.

Аккумуляция солнечной энергии имеет большое значение для многих устройств. В солнечных теплоустройствах в основном используются два вида аккумуляторов: 1 – принимающие тепло на себя – теплоемкие аккумуляторы, 2 –химические (изотермические) аккумуляторы.

В качестве веществ, собирающих тепло в теплоаккумуляторах, используются песок, гравий, кирпич, щебень и другие. 

Применяя межпредметную интеграцию на уроке химии, можно вспомнить и о физических свойствах воды. Чистая вода – прозрачная жидкость без цвета, запаха и вкуса. Многие физические свойства воды своеобразны ив соответственных случаях считаются аномальными (исключение из обыкновенных правил). Например, плотность воды в твердом состоянии (лед) не уменьшается, как в других веществах, а повышается, когда она переходит в жидкое состоянии.Еще одно свойство воды– это ее высокая теплоемкость (4,18 кЖ/кг К (л), адля сравнения: песок – 0,79; известь – 0,88; соль – 0,88; глицерин – 2,43; этиловыйспирт – 2,85). Поэтому можно наблюдать, что вода ночью или вовремя перехода от летнего сезона к зимнему медленно охлаждается, а днем или вовремя перехода от зимнего сезона к летнему медленно греется(табл. 1).

В химических аккумуляторах сбор тепла или его возврат будет соответствовать изменению агрегатного состояниясобирающих тепло веществ. Известно, что изменение агрегатного состояниявеществ происходит при постоянной температуре, поэтому такие аккумуляторы называются изотермическими. Например, кристаллсульфата натрия в результате химической взаимореакции аккумулирует тепло.

При этом его температура сохраняется в 32,3 ^oC ион греется, теряяколичество воды из своего состава.

Таблица 1.

Здесь приведены константы (постоянные) веществ, которыми можно пользоваться в теплоемких аккумуляторах

В таблице приведены данные скрытого тепла некоторых гидратов неорганических солей, которые можно использовать в качестве аккумулирующего материала [5, с. 280].

Как видно из приведенных в таблице данных, для теплоемких аккумуляторов самым удобным веществом является вода, так как теплоемкость воды больше, чем в других веществах.

Сопоставление теплоемких и химических аккумуляторов показывает, что, чтобы получить одинаковое количество тепла, нужно взять вещества с разным объемом. И наоборот, вещество с объемом 1 собирает разное количество тепла. Например, в 303 К 1 м³ воды 120 000 кЖ/м³ собирается тепла почти в 2,8 раза больше декагидрата натрия сульфата (табл. 2).

 Таблица 2.

В последние годы широко применяются двухкомпонентные композиционные химические аккумуляторы, которые изготавливаются из солевых гидратов.

Закон отражения света тоже можно применить к гелиотехнике, по этой причинемы рассмотрим закон отражения света.

Известно, что свет, падающий на какую-либо непрозрачную поверхность, частично поглощается ею. Уровень отражения света телом связанс его оптическими свойствами.

На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается, а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется.

Закон отражения состоит в том, что и падающий, и отраженный луч находятся в единой плоскости с перпендикуляром к поверхности, и этот перпендикуляр разделяет угол между данными лучами на равные части.

Чаще его формулируют так: угол паденияи угол отражения светаравны:.

Если поверхность, на которую падает луч, плоская, то после отражения параллельно падающие лучи направляются параллельно. А если поверхность не плоская, то параллельно падающие лучи соответственно углу падения распространяются по разным направлениям. Отражение параллельно падающих лучей под разными углами часто встречается в гелиотеплицах, покрытых пленками. По этому при изменении температуры их поверхности деформируются.

Применение закона отражения света в гелиотехнике можно объяснить множеством примеров. Процессы работывысокотемпературных солнечных устройствосновываютсяна законе отражения светаот плоских и сферических зеркал.

В гелиотехникеплоские зеркала используются для изготовления гелиостатов солнечных печей, для отражения лучей в паровые котлы солнечных электростанций, для изготовления фацетных концентраторов.

Рисунок 5. Фацетный концентратор

На рисунке 5 приведена схема фацетного концентратора, изготовленного из плоских зеркал. Здесь все гелиостаты (плоские зеркала) собирают солнечные лучив один фокус определенной одной плоскости, в результате принимают форму фацетного концентратора, как изображено на рисунке 5.

Закон отражения света широко применяется и в концентраторах гелиотехники. Гелиоконцентраторы делятся на несколько видов:

1. Параболоидной формы; 2. Параболоцилиндрической формы; 3. Конусовидные; 4. Фацетные концентраторы.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

По внешнему виду линзы бывают двусторонне выпуклые, приплюснуто-выпуклые, плоско-выпуклые, двусторонневогнутые, плоско-вогнутые, вогнуто-плоские. 

Прямая, переходящая через кривизну, называется главной оптической осью линзы.

Для каждой линзы есть такая точка О, которая называется оптическим центром; лучи, переходящие через нее, не преломляются.

Фокусное расстояние. Оптическая сила линзы.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. Фокус линзы размещается с двух ее сторон и на одинаковом расстоянии. Расстояние от оптического центра линзы до фокуса (f=OF) называется фокусным расстоянием линзы.

Величина, обратная расстоянию фокуса,

                                                                   (5)

называется оптической силой линзы. Единица измерения – диоптрия (дптр). 1 диоптрия – оптическая сила с фокусным расстоянием, равным 1 м:

1 дптр=линзы с положительной оптической силой (выпуклые линзы) – собирательные, линзы с отрицательной оптической силой (вогнутые линзы) – рассеивающие линзы.

Формула тонкой линзы. Формула тонкой линзы: если расстояние от предмета до линзы обозначить через а, а расстояние от линзы до изображения через b, то фокусное расстояниеfпоказывает соотношение этих расстояний.

Для собирательной линзы эта формула принимает вид:

                                                                 (6)

Если принять во внимание выражение (5), то формула тонкой линзы пишется в виде:

                                                               (7)

Для рассеивающей линзы расстояния f и b отрицательные, исходя из этого, формула тонкой линзыпишется так:

                                                           (8)

Построение изображений при помощи линз.

Построение изображений при помощи линз выполняетсятремя лучами.

1. Луч, который параллельно направлен к главной оптической оси линзы и после преломления проходящий через ее второй фокус.

2. Луч, проходящий через оптический центр линзы и не меняющий свое направление.

3. Луч, проходящий через первый фокус линзы и после преломления направляющийся параллельнокее главной оптической оси.

Здесь в качестве примера можно привестифацетные концетраторы и принцип их работы.

Когда приводяться данные про концентраторы, будет целесообразно привести сведения о единственной в мире большой солнечной печи АН РУз (комплекс «Физика-Солнце»мощностью 1000 кВт), которая находится в предгорьях Тянь-Шаня в Паркентском районе Ташкентской области (рис. 6).

Рисунок 6. Большая солнечная печь АН РУз (комплекс «Физика-Солнце») мощностью 1000 Квт

При обучении естественным наукам применение межпредметной интеграции повышает уровень успеваемости обучаемых, укрепляет их знания, развивает логическое и творческое мышление, экономит время на освоение темы, формирует навыки самостоятельной работы, а также научное мировоззрение и совершенствует учебно-воспитательный процесс, его оптимальную организацию.

Список литературы:

1. Ганиев А.Г., Авлиякулов А.К., Алмардонова Г.А. Физика. 1 часть. –Ташкент: Учитель, 2003. – 368 с.
2. Журин А.А. Интегрированное медиаобразование в средней школе. –М.: Бином, 2013. – 405 с.
3. Каххоров С.К., Жураев Х.О. Альтернативные источники энергии. – Ташкент: Нисополиграф, 2016. – 214 с.
4. Машарипов С., Тиркашев И. Химия. – Ташкент: Учитель, 2011. – 320 с.