Проект урока физики по теме: «Магнитное поле Земли»

Цели урока:

1.     Создать условия пробуждающие самообразовательную активность обучающихся, для этого основным методом обучения был проблемный метод (проблемные вопросы, проблемные ситуации)

2.     Переконструировать прежние знания обучающихся (опора на жизненный опыт сохранения здоровья)

3.     Направить изучения материала не только на поиск знаний в «чистом» виде, но и на овладении навыками экспериментальной деятельности, добывать эти знания.

4.     Создать условия на формирование компетентности обучающихся т.е. умение применит свои знания в новой ситуации. Для решения этих условий использовался демонстрационный эксперимент, практическая работа обучающихся.

5.     Обеспечить эмоциональную поддержку, для этого я использовала работу в группах.

 Показать, что Земля — это большой магнит, у которого есть 4 полюса: 2 географических и 2 магнитных (они не совпадают). Рассмотреть причины геомагнетизма и роль геомагнитного поля. Показать, что результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. А возмущение магнитного поля приводит к магнитным бурям, которые оказывают влияние не только на различные приборы, но и на живые организмы. Сформировать умение объяснять физические явления, чётко излагать мысли, делать выводы, систематизировать информацию и выделять главное.

Задачи:

Образовательные. Дать понятие магнитного поля, поля постоянных магнитов, магнитного поля Земли; исследовать взаимодействие полюсов двух магнитов, познакомиться со свойствами магнитного поля; формировать умение применять полученные знания для решения задач и выполнения практических заданий, расширить кругозор обучающихся в области магнитных явлений.

Воспитательные. Научить работать в группе, выработать умение выслушать мнение собеседника, прийти к общему мнению.

Развивающие.  Развитие у обучающихся произвольного внимания, мышления (умения анализировать, сравнивать, строить аналогии, делать умозаключения.), познавательного интереса (на основе физического эксперимента); формирование мировоззренческих понятий о познаваемости мира, для воспитания чувства само- и взаимоуважения при работе в парах и группе чувство ценности интеллектуального труда, значимость изучаемого материала.

Методы обучения: проблемный, исследовательский, наглядно-словесный, репродуктивный.

Межпредметная связь: география, биология, ИЗО.
 

Формы организации познавательной деятельности  на уроке: фронтальная работа, работа в группах, самостоятельная и  индивидуальная работа.

Оборудование: компьютер, видеопроектор (мультимедиа), экран, постоянные магниты, металлические опилки, компас, тесты для индивидуальной работы,  текст проекта «Магнитное поле Земли».


Ход урока

1. Мотивация

Мы знаем, что физика – наука о природе.

Вспомним слова Ф.И.Тютчева:

“ Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик,-

В ней есть дума, в ней есть свобода

В ней есть любовь, в ней есть язык”.

Да, у природы есть свой язык, и мы должны его понимать. На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку.

Путь познания природы таков:

открытие->исследование->объяснение->применение

Вот по этому принципу мы сегодня и проведем урок проект по теме “Магнитное поле”.

II Ход урока

Учитель физики: Ребята, посмотрите внимательно на эти схемы и иллюстрации. Как вы думаете, что явится предметом изучения, о чём пойдёт речь сегодня на уроке? (Ученики отвечают на поставленный вопрос). Действительно, речь пойдёт о магнитном поле Земли. Магнитное поле Земли - тема нашего урока.

• Нам предстоит доказать, что Земля - это большой магнит.

• Познакомиться с историческими сведениями о земном магнетизме.

•Узнать о Магнитном поле Земли и его свойствах.
• Рассмотрим взаимосвязь и влияние магнитного поля Земли на живые организмы.

•Познакомимся с влиянием магнитных бурь на организм человека.

•Выполнить тест по теме.

Для этого мы провели исследования теперь мы с вами обменяемся информацией.

Учитель физики: Начинаем обмен информацией. Вам даны рабочие листы, которые вы заполняете по ходу урока, выслушивая ответы товарищей.

Издавна пытливый ум человека привлекала таинственная сила природы, заставляющая магнитную стрелку упрямо возвращаться к направлению север-юг. Давайте докажем, что Земля - большой магнит. Ответ группы №1 (физики) В 1600 г. английский учёный У. Гильберт в своём трактате «О магните» подвёл итог работы всех своих предшественников и собственными 18-летним изысканиям. Он использовал экспериментальный метод для изучения магнитных явлений. Гильберт описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой магнитной стрелки. Он пришёл к заключению, что Земля это большой магнит.

Учитель: Если Земля — большой магнит, сколько полюсов она имеет?

Ответ группы №2 (географы) Земля имеет 4 полюса: 2 географических и 2 магнитных. Они не совпадают.

Учитель: К чему приводит несовпадение полюсов? Ответ группы:  1

Не совпадают магнитные и истинные меридианы. Угол между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением. Угол, на который магнитная стрелка под действием магнитного поля отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх называется магнитным наклонением.

Учитель физики: Известно, что магнитные стрелки - индикаторы магнитного поля. Теоретически доказано, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты. Каковы же причины геомагнетизма? Ответ группы №2 (физики)

Гипотеза Ампера: Если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнитное поле.

Теория Эльзассера (1939 г.): Земля намагничена термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре.

Учитель физики: Одна гипотеза за другой терпели неудачу. Каковы современные представления о геомагнетизме?

Ответ группы №2 (физики) Теория Френкеля (1947 г.): Земное ядро является

своеобразным природным турбонагревателем. Роль турбины в нём играют

тепловые потоки

Учитель физики: Существование магнитного поля Земли доказано. Как его

можно представить? Что на него влияет?

Ответ группы №2 (физики) Картину геомагнитного поля можно представить с

помощью замкнутых силовых линий, выходящих из северного магнитного

полюса и входящих в южный. На геомагнитное поле существенно влияет

солнечный ветер (сопровождается показом видеофильма «Полярное сияние»).

Учитель физики:

Ах, как играет этот север!

Ах, как играет надо мной

Разнообразных радуг веер,

В его короне ледяной!

Ему, наверно, по натуре

Холодной страсти красота,

Усилием магнитной бури

Преображённая в цвета...

В стихотворении упоминается магнитная буря. Что это такое? Ответ группы.№1 (физики) Когда на Солнце происходит мощная вспышка, усиливается солнечный ветер. Это вызывает возмущение земного магнитного поля и приводит к магнитной буре. Магнитные бури влияют на различные электроприборы.

Физкульт минутка:
Раз, два, три , четыре,

Руки выше, руки шире.

Поворот направо, влево,

Всё мы делаем умело

Одну ногу поднимаем,

Этим площадь уменьшаем.

А давление растёт,

Прыгнем - вовсе пропадёт!

Учитель: Но эта проблема интересует и рассматривается не только экономистами, но и экологами, биологами, а так же врачами. В настоящее время накоплен материал, в котором подтверждается, что изменение погоды, а в частности магнитные бури влияют на самочувствие людей. Ответ группы №2 Учёные выделяют три вида взаимодействия электромагнитных волн с живыми организмами. Во-первых, взаимодействие электромагнитных полей с живыми организмами. Во-вторых, различные

электрические связи в самом организме. В-третьих, электромагнитные связи

между живыми организмами.

Влияние магнитных бурь на жителей села Ильинское: 
Учитель: Живые организмы развивались и существуют в постоянном контакте со всеми силами природы, в том числе с воздействиями космоса. В последние годы чётко определились границы новой науки - экзобиологии, или космической биологии. Она, в частности, изучает действие космоса на живые существа.

Учитель физики: Нам осталось ответить на последний вопрос: Какова роль и главное назначение геомагнитного поля?

Ответ группы №1 (физики) Служит защитой: оно предохраняет всё живое на

Земле от опасного космического излучения.

З.Подведение итогов, домашнее задание

Учитель физики: Друзья, наш урок подходит к концу. Мне хотелось бы пожелать вам и всем присутствующим, чтобы геомагнитное поле предохраняло нас и защищало от всех бед и невзгод. Желаю, чтобы в вашей жизни было как можно меньше неблагоприятных дней.  Чтобы ваш компас не реагировал ни на какие аномальные явления в жизни.

Спасибо за работу.
 

Выводы по уроку: Данный урок построен по схеме: мотивация -исследование - обмен информацией - представление информации -подведение итогов - домашнее задание. Анализируя содержание этого урока, прежде всего, следует обратить внимание на мотивацию учебной деятельности учеников, которая является сложной ключевой проблемой обучения. На данном этапе урока учащиеся самостоятельно формулируют тему урока. Перед учащимися поставлена цель - овладеть учебным материалом, для достижения которой проводится исследование: учащиеся работают в группах, учителя выполняют роль консультантов.

На этапе обмена информацией учащиеся заполняют рабочий лист (он дан в приложении), после проверки, которого учащиеся получают по три оценки (по физике, биологии, географии).

На протяжении всего урока поддерживается высокий уровень работоспособности учащихся не только интересным содержанием, но и сменой видов учебной деятельности учащихся.

Домашнее задание носит творческий характер, выполнение которого требует от учащихся знаний из различных предметных областей.

В конце интегрированного урока наглядно демонстрируется единство материального мира, взаимосвязь явлений, учащиеся ясно осознают, что физика, биология, география являются звеньями единой цепи знаний о природе, что способствует целостному восприятию окружающего мира.

 

Приложения

Группа 1 (физики) Земля — это большой магнит

Наибольшего успеха в изучении магнетизма добился англичанин Уильям Гильберт. В своём трактате «О магните» (1600 г) он подвёл итог работы всех своих предшественников и собственным 18-летним изысканиям. Заслуга Гильберта в том, что он использовал экспериментальный метод для изучения природных явлений. Он описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой магнитной стрелкой. Гильберт пришёл к заключению, что Земля представляет собой большой магнит, тогда как долгое время люди были убеждены, что магнитная стрелка испытывает притяжение со стороны Полярной звезды.

Гениальный русский учёный М.В. Ломоносов в 1759 г рекомендовал для изучения земного магнетизма организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения. Следует отметить, что Россия была и остаётся в этой области ведущей страной.

Французский физик Ш. Кулон в 1785 г положил начало полному изучению магнитного поля Земли, т.е. определению не только его направления, но и численного значения силы геомагнитного поля. Вплоть до начала 20 в на вопрос о причине земного магнетизма часто отвечали так: Земля - большой магнит. Внутри Земли как бы спрятан очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя её устанавливаться вдоль магнитных силовых полей, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли. Направление силовых линий и указывает стрелка компаса.

Группа 2 (географы) Изучение магнитного поля Земли.

Известно, что магнитные и географические полюсы не совпадают. Не совпадают магнитные и истинные меридианы. Угол между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остаётся постоянным, а претерпевает изменения с изменением географических координат. Склонение называется Западным (отрицательным), если стрелка компаса отклоняется на запад от географического меридиана и Восточным (положительным), если отклоняется на восток. Открытие Колумба послужило толчком к новому изучению магнитного поля Земли: сведения о нём были нужны мореплавателям. Зная склонение магнитной стрелки в данном месте можно легко определить направление истинного меридиана. А если известна и широта, то определяют географические координаты.

Поскольку магнитные полюсы находятся внутри Земли, то магнитная стрелка не располагается горизонтально, а наклонена к горизонту. В 1544 г немец Г. Гартман открыл магнитное наклонение. Магнитным наклонением называют угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх. По мере приближения к магнитным полюсам угол наклонения увеличивается. Отклонение от обычного (нормального) положения магнитной стрелки для данного места называется магнитными аномалиями.

Группа 2 (географы) Земной магнетизм

Где бы вы не находились на земном шаре, стрелка компаса, поколебавшись, установится в определённом положении, указывая в северном полушарии на север, в южном - на юг.

Земля - огромный магнит, имеющий два полюса - северный и южный, соединённые магнитными силовыми линиями, образующими магнитное поле Земли, вдоль которых и выстраивается стрелка компаса. Это магнитные

меридианы, которые не совпадают с географическими (истинными) меридианами.

В 1831 г. английский полярный исследователь Джон Росс, участвовавший в одной из арктических экспедиций по отысканию морского прохода из Атлантического океана в Тихий мимо берегов Северной Америки, открыл северный магнитный полюс в Канадском архипелаге на 70 5 17 с.ш. и 96 46 45 з.д.

В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг района другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.

Наблюдения показали, что положение магнитных полюсов меняется. Так в 1952 г. Северный магнитный полюс находился на 74 с.ш. и на 100 з.д. В настоящее время его координаты 75 с.ш. и 99 з.д. (север Канады, полуостров Бутия), магнитный полюс удалён от географического приблизительно на 2100 км. Южный магнитный полюс находится на меридиане острова Тасмания на 66,5 ю.ш. и 140 в.д.

Таким образом, магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает на север.

Группа 1 (физики) Причины геомагнетизма

Наша планета ведёт себя как большой магнит. Это было доказано У. Гильбертом более 400 лет назад. Но ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, учёный дать не мог.

В начале 19 в. французский физик Андре Ампер высказал интересную догадку. Он зал, что электрический ток может влиять на магнитную стрелку (доказано датским физиком Эрстедом в 1820 г). Ампер первым понял, что если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнитное поле.

Но течёт ли на самом деле ток в Земле и какая причина делает его постоянным? Теоретически удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты.

В начале 20 века делались попытки объяснить геомагнетизм её суточным вращением. Известно, что Земля заряжена отрицательным электрическим зарядом. Её вращение создаёт ток, а электрический ток всегда окружён магнитным полем. Но теоретически вычисленная напряжённость такого поля оказалась в десятки миллионов раз слабее истинного магнитного поля Земли.

Физики пытались спасти гипотезу о самонамагничивании Земли из-за её вращения, привлекли на помощь новые сведения о строении атома.

Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материалов в Земле, удалось подсчитать интенсивность намагничивания. Она оказалась в миллиарды раз меньше действительной. Так ещё одна гипотеза потерпела неудачу.

В 1939 г американский физик Эльзассер предложил новую теорию: Земля намагничена термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре, где перемешаны различные металлы, так что всегда имеется контакт двух металлов, хотя и в жидком состоянии. Таким образом, в земном ядре имеются все условия для поддержания термотоков: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры. На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и циркулирующих в нём термотоков не поддаётся точному расчёту.

Группа 1 (физики) Современная теория геомагнетизма

Современная теория геомагнетизма была предложена советским физиком Я. Френкелем в 1947 году.

Учёный нашёл сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машин с самовозбуждением.

Френкель считает, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нём играют тепловые потоки: они

поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости.

Струи расплавленного металла текут из недра ядра по радиусам к поверхности. Вращение Земли искривляет путь струи, превращая её в кольцо, охватывающее земную ось. Так внутри «земной динамо-машины» образуются гигантские витки. В этих замкнутых потоках горячего металла должен был когда-то возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Слабое магнитное поле усиливалось до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далёком прошлом. Кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Важно, что теория Френкеля пригодна для объяснения магнитных полей любых космических тел: Солнца, звёзд, планет.

Но ещё не удаётся, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре. Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Мало ещё известны законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра.

Учёным ещё не удалось полностью разгадать истинную причину геомагнетизма. Но можно с уверенностью сказать, что сейчас наука близко подошла к решению этой трудной задачи.

Группа 1 (физики) Влияние Солнца на магнитное поле Земли

Для наглядного представления магнитного поля Земли служит метод силовых линий. Картину геомагнитного поля можно представить с помощью замкнутых силовых линий, выходящих и северного магнитного полюса и входящих в южный.

Новейшие исследования показали, что его структура более сложная, т. к. на геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер — потоки летящих с огромной скоростью заряженных частиц. Вдали от земли её магнитное поле искажается солнечным ветром. На дневной стороне Земли, повёрнутой к Солнцу, оно сжато, а на ночной - растянуто, образуя длинный «хвост».

Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) направляются магнитным полем (на них действует сила Лоренца) и определённым образом фокусируются. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они ионизируют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение, которое называют полярным сиянием.

Физика полярных сияний сложна. Появление же заряженных частиц в определённых районах атмосферы на определённых высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

 

Группа 1(физики) Магнитные бури

Учёные выяснили, что колебания геомагнитного поля зависят от состояния ионосферы, от излучения Солнца. Когда на Солнце происходит мощная вспышка, усиливается солнечный ветер. Это вызывает возмущение земного магнитного поля и приводит к магнитной буре. В такие моменты геомагнитное поле сжимается ещё больше, а пролетающие мимо Земли частицы солнечного ветра создают дополнительные магнитные поля.

Магнитные бури причиняют серьёзный вред: они оказывают сильное влияние на радиосвязь, на линии электросвязи, многие измерительные приборы показывают неверные результаты. Таким образом, магнитные бури приводят к значительным экономическим потерям.

Группа 3 (биологи) Взаимодействие электромагнитных волн с живыми организмами

Долгое время не могли обнаружить каких бы то ни было прямых биологических воздействий электромагнитных полей на организмы.

Но, безусловно, что все живое возникло, эволюционировалось и продолжает существовать при постоянном воздействии электромагнитных волн.

В результате исследований начинают проясняться некоторые подробности. Чем сложнее организм, тем больше замечает он различных раздражителей, в том числе к более широкому спектру электромагнитных волн.

Менее всего чувствительна клетка, более чувствительны отдельные органы, ещё чувствительнее весь организм.

Учёные выделяют три вида взаимодействия электромагнитных волн с живыми организмами. Во-первых, взаимодействие электромагнитных полей с живыми организмами. Во-вторых, различные электрические связи в самом организме. В-третьих, электромагнитные связи между живыми организмами. I. Взаимодействие электромагнитных полей с живыми организмами Примеры:

1. Оказывается, что 86% рыб, помещённых в незнакомый водоём, двигаются по магнитному меридиану.

2. Ещё в середине прошлого столетия учёные высказали предположение, что перелётным птицам может быть свойственно особое магнитное чувство, которое, подобно стрелке компаса, указывает им осенью путь на юг, и весной на север.

3. В одной из лабораторий поставили рядом клетку с птицами и аквариум с рыбками. В 15-ти сантиметрах установили источник точно регулируемого электрического поля. Включается ток, стайка птиц и рыб одновременно, как по команде, поворачивается в одну и ту же сторону.

II. Проявление электромагнитных полей на уровне отдельного организма.

Вся жизнь нашего организма неразрывно связана с деятельностью сердца. Мы привыкли образно говорить, что сердце бывает «чутким», «большим», «мягким», «добрым», «жестоким» и т.д., но оно поражает своей живучестью. Природа создала такую сердечную мышечную ткань, которая не останавливается ни на секунду, постоянно сжимается и разжимается. Для эксперимента взяли отдельные клетки сердечной ткани, которые поместили в питательный раствор. Клетки не только продолжали жить, но и отлично «помнили» свою главную обязанность: безостановочно пульсировать. Все изолированные клетки пульсировали, но по-разному: одни быстрее, другие

медленнее. Но приближённые друг к другу начали пульсировать одинаково. У всех изолированных клеток установилась одна скорость пульсирования, позаимствованная у лидера, то есть клетки, которая пульсировала быстрее других. В этом примере показана электромагнитная связь клеток. III. Электромагнитная биология допускает наличие определённой электромагнитной связи между организмами.

Если имеется сложная система биотоков в живых организмах, то почему не возможна электромагнитная связь между организмами? Примеры: Сигнализация посредством электромагнитных полей позволяет животным находить друг друга на больших расстояниях. Это и нахождение насекомым-самцом пути к самке, и определение места гнездования птицами. Некоторые морские хищники также находят и опознают жертву по электромагнитным полям. Примером может служить скат - плоская рыба, глаза которой расположены в верхней части тела, а рот — в нижней. Она не видит своей жертвы! Обнаружено, что она воспринимает излучаемые ею сигналы электромагнитного поля.

Группа 3 (биологи) Действие магнитного поля на человека

Сама природа и её смена оказывает действие на человека. Изучением влияния различных факторов погодных условий на организм здорового и больного человека занимается специальная дисциплина - биометрология.

В настоящее время накоплен материал, в котором подтверждается соотношение деятельности Солнца и аварий на транспорте и производстве.

Есть данные о том, что другие изменения геомагнитного поля -магнитные бури вносят разлад в работу сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной системы, а также изменяют вязкость крови; у больных атеросклерозом и тромбофлебитом она становится гуще и быстрее свёртывается, а у здоровых людей, напротив, повышается.

Но магнитные бури - это не приговор; более того - их влияние на нашу жизнь находится под большим вопросом. Так считают специалисты Российского Центра Космической Погоды. Именно здесь дают ежедневные

прогнозы о поведение Солнца, т.е. составляют те самые списки «неблагоприятных дней». Метеочувствительным людям особенно важно знать, «что день грядущий нам готовит».

Как бы то ни было, многие люди, хотя далеко не все, предчувствуют изменение погоды, обладая так называемой метеочувствительностью. Исходя из чисто субъективных ощущений, они определяют, как правило, за сутки, например, приближение грозы и магнитные бури.

Однако сводить всё к метеорологическим явлениям, связанным только с изменением электромагнитной обстановки, было бы не правомерно. По всей видимости, действует целый комплекс факторов, таких как изменение барометрического давления, влажности, содержания кислорода в воздухе, его ионизация и др.

Группа 1 (физики) Роль геомагнитного поля

Из космического пространства на Землю движется поток заряженных частиц. Концепция этих частиц такова, что является опасной для жизни. Однако магнитное поле защищает Землю от этой опасности. Когда заряженные частицы влетают в магнитное поле Земли, то на них начинает действовать сила Лоренца. Она заставляет их двигаться от одного магнитного полюса к другому и обратно. Частицы оказываются в магнитной ловушке. Сквозь ловушку пролетает лишь небольшое количество частиц, не представляющих опасности для жизни на Земли. Области, в которых находятся частицы, задержанные магнитным полем Земли, называются радиационными поясами.