Миры в которых мы живем естествознание конспект
Обновлено: 08.07.2024
Цель урока: формирование представления о мире, в котором мы живем, об уникальной планете Земля и о науке географии.
Предметные.
Формировать представление о живой и неживой природе, о их взаимосвязи, о явлениях природы.
Метапредметные.
Регулятивные:
Умение сохранять заданную цель, контроль, самооценка.
Познавательные:
1. Постановка и формулирование проблемы с помощью учителя.
2. Выдвижение гипотез.
3. Развитие логического мышления, речи, внимания, познавательного интереса.
1. Осуществление учебного сотрудничества с учителем и сверстниками.
2. Постановка и обсуждение вопросов.
3. Умение с достаточной полнотой и точностью выражать и обосновывать свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации.
Личностные:
1. Проводят самооценку на основе критерия успешности учебной деятельности.
2. Воспринимают речь учителя и одноклассников.
1. -Чтобы сформулировать тему урока и проблему, которую нам предстоит решать, послушайте стихотворение – загадку:
Посмотри, мой милый друг.
Что находится вокруг?
Небо светло-голубое
Солнце светит золотое,
Поле, речка и трава.
Горы, воздух и листва.
Птицы, звери и леса.
Гром, туманы и роса.
Человек и время года
Это всё вокруг - …… (природа)
- Подумайте, чему будет посвящён наш первый урок по географии? (о природе)
2. Выделение проблемы и постановка цели урока.
Земля - уникальная планета: из всех планет Солнечной системы.
- Почему наша планета неповторимая, единственный в своем роде? (пока только на ней существует жизнь)
На нашей планете есть все условия для жизни. Какие? (воздух, вода, почва, оптимальное расстояние от Солнца до Земли, вращение Земли. Что позволяет ей равномерно прогреваться, атмосфера, которая защищает Землю от метеоритов, озоновый слой, который защищает от радиации и др.
Посмотрите на картинки стр. 5 учебника. Изображённые объекты относятся к природе ?
- Посмотрите внимательно и попробуйте классифицировать (разделить на группы) изображённые объекты природы.
- Какие объекты живой природы приведены на картинке? Чем они отличаются? (размерами, строением)
- Живые организмы разные. Но что же их объединяет? Что у них у всех общего? ( они дышат, питаются размножаются, растут).
- Что относится к неживой природе. Приведите примеры. (Реки, горы, воздух, почва, океаны.)
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Миры, в которых мы живем
План 1 Многообразие миров 2 Изучение объектов мега- и макромира 3 Изучение объектов микро- и наномира 4 Молекулярное распознавание и измененяющиеся свойства вещества в наномире
Многообразие миров Мегамир Макромир Микромир Наномир
Многообразие миров Мегамир - это объекты огромного масштаба — от планетных систем наподобие Солнечной до галактик и Вселенной.
Многообразие миров Макромир - это мир, объекты которого видны невооруженным глазом (горы, люди, реки, озера, леса) или с помощью микроскопов (растительные и животные клетки) и телескопов с небольшим увеличением (планеты, небольшие небесные тела).
Многообразие миров Микромир - это мир молекул, атомов, элементарных частиц и их составляющих (объекты которого имеют размеры меньше 10–8 м)
Многообразие миров Уровень развития современной техники позволяет уже различать структуры размером от 1 до 100 нм (1 нм = 10–9 м; например, молекула ДНК имеет диаметр 2 нм), поэтому эту часть микромира выделяют в наномир.
Молекула пентацена. А – модель молекулы. В – изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом. С – изображение, полученное атомно-силовым микроскопом. D –несколько молекул (АСМ). А, B и C в одном масштабе. Пентацен Используется в качестве полупроводника в пластиковых микросхемах.
Изучение объектов мега- и макромира Изучение объектов мегамира осуществляется с помощью различных телескопов Некоторые объекты макромира можно наблюдать непосредственно и проводить различные их исследования. Изучение ряда объектов макромира неразрывно связано с усовершенствованием оптических приборов (например, клеточная теория)
Изучение объектов мега- и макромира Клеточная теория Р. Гук (1635—1703) в 1665г., изучая срез пробки, обнаружил структуры, похожие на соты, и назвал их клетками А. Левенгу́к (1632—1723) усовершенствовал микроскоп и смог наблюдать живые клетки с увеличением более чем в 200 раз В 1831—1833 гг. Р. Бро́ун (1773—1858) обнаружил в растительных клетках ядро М. Я. Шле́йден (1804—1831) – открыл клеточное строение растений Т. Шванн (1810—1882) сформулировал основные положения клеточной теории
Изучение объектов мега- и макромира Английский физик Дж. У. Рэле́й (1842—1919) доказал, что предел разрешения микроскопа, ограничивающий минимальные размеры рассматриваемого объекта, равен 1/2 длины световой волны. Поскольку самые короткие длины волн видимого света составляют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов — около 200 нм
Изучение объектов микро- и наномира Исследование объектов микромира осуществляется с помощью электронного мискроскопа ( позволяет увидеть объекты с максимальным увеличением до 106 раз). В качестве света – пучки электронов В качестве линз – ЭМ поля
Изучение объектов микро- и наномира Электронный микроскоп. Модель 1960-х годов Современный электронный микроскоп
снимок микротрещины в стали, после проведения испытаний на прочность капиллярная сеть и эритоциты, находящиеся внутри кровеносных сосудов
Изучение объектов микро- и наномира Объекты наномира изучают с помощью сканирующих зондовых микроскопов
Изучение объектов микро- и наномира Выделяют два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ)
Молекулярное распознавание и изменяющиеся свойства вещества в наномире Молекулярное распознавание — способность одной молекулы притягивать другую за счет электростатических сил Молекулярное распознавание служит химической основой работы рецепторов органов чувств, в первую очередь, вкуса и обоняния, а также лежит в основе работы ферментов
Ферменты обладают селективностью ( избирательностью) действия, т.е. ускоряют только определенные реакции или типы реакций.
В мега- и макромирах действуют законы классической физики. В микро- и наномирах частицы подчиняются законам корпускулярно-волнового дуализма (проявляют как свойства частицы(корпускулы), так и волны)
- подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
- по всем предметам 1-11 классов
- ЗП до 91 000 руб.
- Гибкий график
- Удаленная работа
Дистанционные курсы для педагогов
Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
5 611 135 материалов в базе
Материал подходит для УМК
§ 7. Миры, в которых мы живём
Самые массовые международные дистанционные
Школьные Инфоконкурсы 2022
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Другие материалы
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
- 06.12.2018 4305
- PPTX 1.7 мбайт
- 289 скачиваний
- Рейтинг: 4 из 5
- Оцените материал:
Настоящий материал опубликован пользователем Белов Роман Николаевич. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Автор материала
40%
- Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
- Для учеников 1-11 классов
Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов
Дистанционные курсы
для педагогов
663 курса от 690 рублей
Выбрать курс со скидкой
Выдаём документы
установленного образца!
Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки
Время чтения: 11 минут
Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ
Время чтения: 1 минута
Минтруд предложил упростить направление маткапитала на образование
Время чтения: 1 минута
Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы
Время чтения: 0 минут
Время чтения: 2 минуты
Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России
Время чтения: 1 минута
В приграничных пунктах Брянской области на день приостановили занятия в школах
Время чтения: 0 минут
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Нанонаука и нанотехнология являются интегрированным направлением современных наук и технологий: физики, химии, биологии и их специализаций (биохимии, биофизики, атомной микроскопии), а также информационных технологий, биотехнологии, материаловедения. Следовательно, нанонаука носит междисциплинарный характер, а потому вполне логичным будет проведение на заключительном этапе обучения в старших классах интегрированных уроков, посвященных этому революционному направлению в современной науке.
Границы миров
Учитель химии (вступительное слово). Человека всегда привлекали таинства запредельно больших расстояний и бесконечно малых величин. Трудно себе представить расстояние в несколько миллионов световых лет, осмыслить размеры галактик и Вселенной. Так уж устроен человеческий разум, что мы всегда задаемся вопросом, а что находится дальше, за той умозрительной границей, которую рисует воображение? Не менее интересно мысленно проникать в глубь материального мира. Мы уже знаем о сложности строения атома и элементарных частиц, его составляющих. Доказано, что и они, элементарные частицы, не такие уж элементарные. Протон, например, образован частицами, которые называют кварками и глюонами. А дальше?
Проникновение в безгранично малые или необозримо большие миры – не простое любопытство. Человечество так и осталось бы на уровне первобытно-общинного развития, если бы не научилось использовать во благо научные знания и практический опыт, почерпнутый из познания этих миров.
Получается, что человек, живущий в своем мире, стремится проникнуть и познать устройство иных миров, существующих объективно, независимо от его воли: миры, в которых живет он сам, и миры, которые живут в нем.
Границы этих миров достаточно условны.
Мегамир – это мир, объекты которого имеют протяженность более 10 м, например Вселенная и один из ее объектов – планета Земля, диаметр которой составляет 12 660 км.
Макромир – это мир, объекты которого имеют длину от 10 м до 1 мм, например человек, рост которого в среднем составляет 1,7 м.
Микромир – это мир, объекты которого имеют размеры от 1 мм до 0,1 мкм (10 –7 м), например клетки большинства типов тканей человека имеют размер 10 мкм (10 –5 м), а эритроцит крови – 1 мкм.
Наномир – от 0,1 мкм до 1 нм (10 –9 м), например молекула ДНК имеет диаметр 1 нм.
Обращаясь к рис. 1, который может быть спроецирован на экран или интерактивную доску, учитель химии предлагает учащимся вспомнить объект русского народного творчества, построенный по такому же принципу. Учащиеся называют матрешку. Затем учитель химии ставит проблему: как увидеть различные миры – и передает слово учителю физики.
Рис. 1. Миры, в которых мы живем и которые живут в нас:
объект мегамира – планета Земля (1), житель макромира – человек (2),
структурная единица микромира – живая клетка (3),
частицы наномира – молекула ДНК (4) и атомы криптона (5)
Как увидеть миры
Учитель физики. Мегамир, в силу больших размеров, не всегда можно разглядеть целиком. Можно увидеть отдельные горы, небольшие озера, фрагменты островов, лесов и рек, а земной шар можно рассмотреть лишь из космоса. Недаром в древности люди представляли себе Землю плоской.
Ассистент учителя физики (ученик) рассказывает о том, как в докосмическое время доказывалось, что Земля – шар: постепенное исчезновение корабля, уплывающего за линию горизонта, кругосветные путешествия, опыты с маятником Фуко и т.д.
Учитель физики. Другие объекты мегамира – нашей Вселенной – можно разглядеть с помощью оптических приборов, например телескопов.
Учитель биологии с помощью своего ассистента рассказывает о том, как правильно измерить основные показатели такого объекта макромира, как человек: массу, рост, жизненную емкость легких, пульс, давление, остроту зрения и др.
О том, как увидеть микромир, рассказывают учителя физики и биологии вместе со своими ассистентами.
Учитель физики рассказывает об эволюции оптических приборов (лупа, световой микроскоп), их устройстве и принципах работы.
Учитель биологии с помощью ассистентов показывает роль этих приборов в становлении и развитии клеточной теории (открытие клетки Р.Гуком, открытие клеточного строения растений М.Шлейденом, создание клеточной теории Т.Шванном). Этот фрагмент интегрированного урока сопровождается лабораторной работой по рассмотрению препаратов с образцами различных тканей и организмов клеточного строения.
Учитель физики. Однако более детальное изучение объектов микромира ограничивала закономерность, сформулированная Рэлеем как дифракционный предел разрешения, в соответствии с которым минимальные размеры рассматриваемого в оптические приборы объекта ограничены половиной длины волны света, используемого для освещения (поскольку самые короткие длины волн видимого света соответствуют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов составляет около 200 нм).
Учитель биологии. Дальнейшая детализация объектов микромира (установление структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, обнаружение двойной спирали ДНК и т.д.) связана с созданием электронного микроскопа (передает слово ассистенту учителя физики).
Ассистент рассказывает об устройстве электронного микроскопа и особо обращает внимание на то, что этот микроскоп позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются сами электроны, которые представляют собой волны более короткой длины. В качестве линз в таком микроскопе выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т.е. своеобразные электронные линзы.
О том, как увидеть наномир, учащимся рассказывает учитель физики с помощью ассистентов.
Учитель физики (знакомит учащихся с устройством и принципом работы сканирующих зондовых микроскопов). Микроскоп называется зондовым потому, что в роли своеобразного щупа или зонда выступает чрезвычайно тонкая игла. Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать изображение профиля поверхности изучаемого объекта с точностью до размеров отдельных атомов.
Различают два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).
Рассмотрим принцип действия СТМ (обращается к спроецированному на экран или интерактивную доску рис. 2, на котором приведена схема устройства и принципа работы СТМ).
Рис. 2. Схема устройства (А) и принцип работы (Б)
сканирующего туннельного микроскопа: а: Рх, Ру, Рz – пьезоэлементы;
z – туннельный вакуумный промежуток между иглой-зондом и образцом;
It – туннельный ток; б: 1 – (x + y)-развертка;
2 – СТМ-изображение после компьютерной обработки; 3 – образец;
4 – регулировка цепи обратной связи
Этот микроскоп назван туннельным потому, что в нем атомарная структура объекта изучается посредством отслеживания туннельного тока, протекающего между зондом и изучаемым участком поверхности. Зонд в СТМ должен находиться на расстоянии 1 мкм от исследуемой поверхности. Это является условием возникновения и поддержания туннельного тока, ибо при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток становится ничтожно малым, что делает невозможным его фиксирование.
Если такое явление происходит для большого числа электронов, то и возникает туннельный ток. Поскольку в СТМ измеряется электрический ток, его можно применять только для исследования электропроводных объектов.
Для исследования диэлектриков используется АСМ, в котором измеряются силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности. (Учитель обращается к схеме устройства АСМ и объясняет принцип его действия (рис. 3).)
Рис. 3. Принцип работы атомно-силового микроскопа
В АСМ зонд прикреплен к концу кронштейна (плоской пружины), и его положение определяется именно величиной сил межатомного взаимодействия.
Далее в качестве ассистента учителя физики выступает не ученик, а учитель химии. Он предлагает учащимся в качестве методической модели, позволяющей образно представить работу зондовых сканирующих микроскопов, выполнить следующий лабораторный опыт.
Ученикам предлагается распаковать пластинку жевательной резинки и с помощью указательного пальца (своеобразного зонда) исследовать поверхности упаковки жевательной резинки и ее содержимого: бумаги, фольги и самой резинки, – и сделать вывод об их относительной гладкости.
Учитель химии. Подобный принцип используется при изготовлении печатной продукции для слепых (демонстрирует образец книги, изготовленной с использованием метода Брайля). Тот же принцип лежит в основе работы обоих типов зондовых сканирующих микроскопов: как СТМ, так и АСМ.
Далее учитель химии или физики (по договоренности) сравнивает устройство и принцип действия этих микроскопов (таблица, см. с. 5).
Сравнение сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов
После этого учитель химии делает своеобразный переход к следующему этапу урока. Он говорит о том, что в каждом мире, как и в каждом государстве, действуют свои собственные законы.
У каждого мира свои законы
Эту часть интегрированного урока проводят все учителя-предметники.
Учитель химии. Геометрия или архитектура таких частиц наномира, как молекулы, обуславливает молекулярное распознавание – способность одной молекулы притягивать другую за счет электростатических сил. Молекулярное распознавание служит химической основой работы рецепторов органов чувств, в первую очередь вкуса и обоняния. Молекулярное распознавание также лежит в основе действия биологических катализаторов – ферментов.
Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью действия). Она позволяет организму быстро и точно выполнить четкую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых веществ или продуктов их превращения. Располагая богатым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов – мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов соответственно) и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог, Нобелевский лауреат И.П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.
Специфичность, или избирательность (селективность) ферментов столь велика, что их сравнивают с ключом, который подходит только к одному замку. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют только на одну определенную и единственную реакцию. К таким ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относится, например, уреаза, разлагающая одно-единственное вещество – мочевину.
Демонстрационный эксперимент. В два химических стакана наливают по 50 мл раствора пероксида водорода. В первый бросают кусочек сырого картофеля, наблюдают выделение кислорода. Во второй стакан бросают кусочек вареного картофеля – выделения кислорода не происходит.
Учитель химии (поясняет). В сырых овощах, кусочках сырого мяса, капельке крови содержится фермент каталаза, катализирующий разложение пероксида водорода. Ферменты – органические катализаторы белковой природы, поэтому при нагревании, как любые другие белки, они подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.
Стоит отметить, что в наномире меняются физические свойства веществ (цвет, температура плавления). Например, золото в наномире вовсе не желтое, а красное, оранжевое, пурпурное или даже зеленое, в зависимости от размера его наночастиц. Очевидно, что первыми неосознанными нанотехнологами были древние гончары и средневековые стеклодувы. Первые оставили нам в наследство изумительные по цветовой гамме керамические изделия, а вторые – великолепные цветные витражи церквей и дворцов.
В наномире изменяются и химические свойства некоторых веществ. Например, наноскопическое серебро способно реагировать с соляной кислотой с выделением водорода:
2Ag + 2HCl = 2AgCl + H2.
Такое необычное поведение веществ в наномире может иметь и значительное практическое применение. Например, в наномире возможен прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода(II) и водорода).
Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (рис. 4). Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа, получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы (рис. 5). Применение нанотрубок в качестве носителя катализатора определяется их химической устойчивостью и большой площадью поверхности.
Рис 4. Микрофотография нанотрубок
с находящимися внутри них наночастицами
Рис 5. Схематическое изображение процесса
получения этанола из синтез-газа с помощью
нанотрубок и наночастиц
Учитель биологии. Законы наномира обеспечивают такие биологические свойства живой материи, как хранение и передачу наследственной информации, ориентировку живых организмов в пространстве, поиски питания, тропизмы у растений. Именно молекулярное распознавание лежит в основе реакций матричного синтеза: редупликации ДНК, процессов биосинтеза белка (транскрипции и трансляции).
Содержание этой части урока предполагает активное включение учащихся в процессы повторения и обобщения предметных знаний, иллюстрирующих сформулированные учителями тезисы.
В заключении урока учитель химии предоставляет слово учителю информатики.
Компьютеры будущего
Учитель информатики. Важнейшим техническим достижением во второй половине двадцатого столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы функционирования человеческого общества (банки, почту, транспорт, производство, науку), но и в большинство семей и даже к отдельным ее членам. Причиной этого является то, что электронные приборы становятся все лучше и дешевле. Два этих фактора связаны между собой законами Мура. Первый закон гласит, что объем пространства, необходимый для установки транзистора на чип, сокращается вдвое примерно через каждые 1,5 года. Согласно этому закону ячейка компьютера, которая могла вместить один транзистор пятнадцать лет назад, теперь вмещает тысячу транзисторов. Второй закон утверждает, что стоимость постройки завода по изготовлению чипов удваивается с каждым их новым поколением, т.е. примерно через три года.
Существующие компьютеры перерабатывают информацию на основе классической физики, используя представления об одном бите информации (который соответствует переходу из состояния 0 в состояние 1 или наоборот). Уменьшение размеров компьютера до квантовых позволяет перерабатывать информацию на основе законов квантовой механики, используя представления об одном квантовом бите (его также называют кубитом), который позволяет осуществлять одновременно четыре логических операции (варианты: 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 2). Можно рассчитать, что 5 кубитов соответствуют числу 25 или 32 логическим операциям, а 10 кубитов – числу 210 или 1024 операциям. Эти возможности квантового компьютера позволяют ему работать с очень большими цифрами и с очень большими скоростями переработки информации. Такие компьютеры обладают поразительным быстродействием и огромным объемом памяти, способностью мгновенно записать, обработать и переслать информацию любого вида в цифровом формате. В данном формате работают электрические переключатели, действующие от поступления нескольких или даже одного-единственного электрона.
В заключение учитель химии просит учеников высказать свое мнение об этом уроке, отмечает работу своих ассистентов и активно участвующих в уроке учеников соответствующими оценками по предмету. Аналогично поступают и его коллеги.
В качестве методической рекомендации следует особо подчеркнуть, что учителя, ведущие такой урок, должны четко знать свои роли и выступать без сбоев, заминок и пауз. Мы убедились в этом на собственном опыте, когда проводили урок в школе № 531 г. Москвы и школе № 33 г. Энгельса Саратовской области.
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?
Глоссарий по теме:
Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.
Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).
Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).
Микромир (от греч. μικρός – малый) – структурная область Вселенной, объекты которой имеют размеры порядка 10 -8 м и меньше (молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы).
Наномир (от греч. μικρός – карлик) – пограничная область микромира, особые структуры которого характеризуются размерами объектов порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м), что соответствует размерам молекул и атомов.
Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).
Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)
Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:
Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:
Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?
Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.
Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.
Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.
Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.
Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.
В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.
Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.
Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.
Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.
Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.
Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).
Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.
Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.
Рассмотрим теперь объекты микромира. Если уменьшить сферу радиусом 10 см в миллиард раз, то получим размер, соответствующий 10 -8 см (10 -10 м). Такие размеры соответствуют молекулам и атомам. Увидеть объекты такого размера с помощью микроскопа невозможно, т. к. длина волны видимого света находится в диапазоне в тысячи раз превышающем их размеры. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Приведем численные значения радиусов некоторых атомов. Так радиус атома водорода составляет около 5,3∙10 -11 м, радиус атома углерода равен 7,7∙10 -11 м, радиус атома железа равен 1,28∙10 -10 м. Размеры атома определяются размером его электронной оболочки.
Электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами и частицы – заряд (-1,6∙10 -19 Кл), масса (9,109∙10 -31 кг), и волны (длина волны, частота). Волновая природа электрона проявляется в способности к дифракции и интерференции. Энергия электрона в атоме изменяется дискретно. Волновая природа электрона не позволяет говорить о траектории его движения. Состояние электронов в атоме описывается законами квантовой механики.
Нахождение электрона в атоме описывают как электронное облако определенной формы. Электронные облака изображают с помощью моделей – атомных орбиталей различной формы. Электронная конфигурация атомов (распределение электронов по орбиталям) определяет его химические свойства. Атомы могут соединяться, образуя большое разнообразие более сложных структур, существование которых обусловлено химической связью, имеющей электростатическую природу. Оценить размеры молекул можно по длинам связей (расстояние между центрами атомов, связанных химической связью). Так, например, в молекуле водорода Н2 длина связи составляет 7,4∙10 -11 м. В молекуле воды Н2О расстояние между центрами атомов кислорода и водорода составляет около 10 -10 м.
Более сложные молекулы, например, фуллеренов С60 и С70 имеют диаметр 7,1∙10 -10 и 7,8∙10 -10 м. Атомы могут соединяться в еще более крупные молекулы и образовывать длинные цепочки полимеров. Размеры таких молекул могут достигать нескольких сотен нанометров. Например, длина молекулы мышечного белка миозина составляет около 200 нм. С помощью электронного микроскопа была установлена форма молекул миозина, а рентгенограмма показала его вторичную структуру. Самые небольшие молекулы нуклеиновых кислот вирусов, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов, могут достигать в длину несколько сотен нанометров. Диаметр ДНК составляет около 2∙10 -9 м, а длина у разных организмом может быть в тысячи – миллионы раз больше.
Последние десятилетия активно развиваются прикладные исследования структур, размеры которых находятся в интервале 1 – 100 нанометров. Результаты изучения фуллеренов, фуллеритов, углеродных нанотрубок, молекул белков, нанокристаллов, кластеров, тонких пленок и других структур размером от 10 -9 до 10 -6 м лежат в основе современных нанотехнологий. Мир объектов таких масштабов стали называть наномиром
Вернемся к строению атома. Ядро атома имеет размеры порядка 10 -15 м и состоит из нуклонов, протонов и нейтронов. Их массы составляют 1,673∙10 -27 кг и 1,675∙10 -27 кг соответственно. Существование протонов и нейтронов в ядре определяется сильным взаимодействием, которое может проявляться только на таких малых расстояниях. Протоны и нейтроны, как и другие объекты микромира, обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Нейтроны и протоны не являются элементарными частицами и в своем составе имеют еще более мелкие частицы – кварки, размер которых оценивается уже в 10 -18 м. Размеры такого порядка соответствуют масштабам электрона. Проникнуть еще глубже в микромир ученые еще не могут. Современные способы изучения структур микромира основаны на наблюдениях за столкновениями между различными частицами. Чем меньше частица, тем больше энергии ей нужно сообщить. Эта энергия сообщается частицам при разгоне на ускорителях. Причем, чем больше энергии требуется, тем больше должен быть размер ускорителя. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров (например, Большой адронный коллайдер), однако даже этих размеров недостаточно для проникновения в структуры объектов порядка 10 -18 – 10 -19 м, размер необходимых для этого ускорителей сопоставим с размерами земного шара.
Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.
Резюме теоретической части: Под Вселенной понимается всё многообразие окружающего материального мира. Во Вселенной можно выделить структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, наномир, микромир. Объекты макромира соизмеримы с масштабами жизни на Земле и доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств. Объекты мегамира в силу большой удаленности и огромности размеров и объекты микромира из-за чрезвычайно малых размеров и особенностей организации недоступны непосредственному восприятию человека и требуют специальных средств и методов изучения. Изобретение телескопа и микроскопа положило начало созданию средств исследования природных объектов, непосредственное изучение которых человеком затруднено в силу или большой удаленности или малых размеров. Современные электронные телескопы и микроскопы наряду с другими сложными приборами, такими, например, как Большой адронный коллайдер, являются важными средствами изучения удаленных и мельчайших структур Вселенной. На современном этапе развития науки границы наблюдаемого мегамира находятся на расстояниях около 10 миллиардов световых лет от Земли, а познания микромира ограничены размерами порядка 10 -18 м, что соответствует размерам электрона. Систематизация научных знаний и наглядное их представление является одной из важных задач науки.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Утверждение
Правильный ответ и пояснение
А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.
Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.
Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.
В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.
Правильное утверждение. Появление нового направления в науке – нанотехнологий, связано с развитие прикладных исследований особых объектов размерами порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Размеры наноструктур соответствуют размерам молекул и атомов. Для обозначения таких структур стали использовать понятие наномир.
Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.
Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.
Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:
Особенности структурной области Вселенной
Структурная область Вселенной
Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.
Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
Читайте также: