Панагушина Елена Аркадьевна

Урок биологии в 10 классе «Эволюция химических элементов в космическом пространстве. Образование планетных систем»

Материал опубликован 15 April 2018 в группе

Учебный фильм - окружающий мир, естествознание, краеведение

1056

4465

Методические разработки уроков

Тип урока - комбинированный

Методы: частично-поисковый, проблемного изложения, объяснительно-иллюстративный.

Цель:

- формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;

-умения давать аргументированную оценку новой информации по биологическим вопросам;

-воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности

Задачи:

Образовательные: о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;

Развитие творческих способностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем

ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОБУЧЕНИЯ- УУД

Личностные результаты обучения биологии:

1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;

2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;

Метапредметные результаты обучения биологии:

1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;

3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и

оценивать информацию;

Познавательные: выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.

Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).

Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и других видов деятельности.

Технологии: Здоровьесбережения, проблемного, развивающего обучения, групповой деятельности

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Ход урока

Задачи ИНМ

Сформировать научные представления о месте биологической эволюции в общем процессе развития материального мира. Показать пути преобразования вещества в космическом пространстве, формирования планетных систем.

Основные положения

Материя находится в непрерывном движении и развитии.

Биологическая эволюция являет собой деленный качественный этап эволюции материи в целом.

Преобразования элементов и молекул в космическом пространстве происходит постоянно с очень невысокой скоростью.

Современные представления о возникновении жизни

Вопрос о происхождении живого, естественно, не может быть разрешен, если неизвестны основные признаки или свойства жизни. Только имея в распоряжении известные представления о составе, строении и процессах, протекающих в организме, можно попытаться создать представление о тех условиях, при которых могла бы возникнуть жизнь, и тех путях, которые могли привести к ее появлению. Это,
бесспорно, самый сложный вопрос современной биологии, особенно если учесть, что возникновение жизни восходит к отдаленным периодам истории Земли, мало доступным
изучению.

Попробуем представить себе место биологической эволюции в общем процессе развития материального мира. Для этого необходимо проследить пути преобразования вещества с самого начала — с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетных систем

Эволюция химических элементов в космическом пространстве

Что собой представляет межзвездное пространство? Какие процессы протекают в нем? Ответ на эти и многие другие вопросы лежит на стыке двух наук — химии и астрономии.

Спектроскопия — важнейшая точка соприкосновения астрономии и химии. Анализ света, излучаемого звездами, дает богатые сведения об их химическом составе. Исследование спектров позволяет не только идентифицировать химические элементы, но дает также и другую информацию. Например, сравнивая интенсивность линий одного и того же элемента, можно измерить температуру источника, а содержание каждого элемента можно найти, измеряя относительную интенсивность его главных спектральных линий.

С конца XIX в. было зарегистрировано более 2 млн спектров примерно 15 тыс. звезд и Солнца. На основе их изучения был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же физические законы.

Содержание во Вселенной некоторых из наиболее распространенных элементов

(по сравнению с числом атомов водорода)

Атомы	Относительное содержание (число атомов)	Атомы	Относительное содержание (число атомов)
Натрий	17	Магний	290
Гелий	1400000	Водород	10000000
Литий	0,003	Алюминий	19
Углерод	3000	Фосфор	3
Азот	910	Калий	0,8
Кислород	6800	Аргон	42
Неон	2800	Кальций	17

Водород — наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из одного протона и одного электрона. Если первичное вещество Вселенной составлял исключительно водород, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии Масса ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, точно измерена и составляет 4,0026 атомной единицы массы (а.е.м.). При давлении и температуре, достаточно высоких для того, чтобы началась реакция слияния водородных атомов, четыре атома водорода сливаются в один атом гелия. Но масса одного атома водорода равна 1,0079 а.е.м., и, следовательно, четыре его атома имеют массу 4,0316 а.е.м. Разность между массой четырех атомов водорода и массой одного атома гелия равна 0,029 а. е. м. — это очень небольшое число, но именно оно движет Вселенной. По закону сохранения массы и энергии эта разность масс превращается в энергию излучения.

Согласно уравнению Эйнштейна, энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Превращение водорода в гелий сопровождается небольшой потерей массы —0,7% на каждый атом гелия — и высвобождением колоссального количества энергии.

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Очевидно, что реакции последних между собой выражаются в образовании более сложных молекул и их комплексов — пылевых частиц. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газово-пылевой материи.

Примером такого скопления может служить гигантская туманность в созвездии Ориона. Эту туманность в районе «меча» Ориона можно видеть в бинокль. Она имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Одна из многих туманностей в нашей галактике — Млечный Путь, диаметр которой около 100000 световых лет. Туманность Ориона, отстоящая от нас на расстояние около 1500 световых лет, является ближайшей к нам туманностью.

Образование планетных систем

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения, впервые высказанная в XVIII в. И. Кантом и позднее развитая П. Лапласом, Д. Койпером, Д. Альвеном и Р. Камероном, подтверждается целым рядом свидетельств.

Молодые звезды обнаруживаются внутри туманностей — областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли, размеры которых составляют несколько световых лет. Туманности встречаются по всей нашей галактике; полагают, что звезды и связанные с ними планетные системы образуются внутри этих громадных облаков материи.

Средняя концентрация газа в межзвездном пространстве — всего 0,1 атома Н/см3, тогда как концентрация газа в туманностях приблизительно 1000 атомов Н/см3, т. е. в 10000 раз больше. (В 1 см3 воздуха содержится примерно 2,7 • 1019 молекул.)

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитации, оно становится неустойчивым — в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают, и поэтому облако сжимается. В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения, легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества мала. По мере возрастания плотности вещества начинаются новые важные изменения. Вследствие гравитационных и других флуктуаций крупное облако дробится на облака меньшего размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в конечном счете по своей массе и размерам в несколько раз превышающие нашу Солнечную систему .

Такие облака называют протозвездами. Конечно, некоторые протозвезды массивнее, чем наша Солнечная система, они образуют более крупные и более горячие звезды, тогда как менее массивные протозвезды образуют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее, чем первые. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, выше которого произошла бы дальнейшая фрагментация, и нижним пределом, определяемым той минимальной массой, которая требуется для поддержания ядерных реакций.

Эволюция газово-пылевой туманности и образование протопланетного диска

Планеты формировались из оставшихся газов и пыли на периферии протозвездного диска. Агломерация межзвездной пыли под действием гравитационного притяжения приводит к образованию звезды и планет примерно за 10 млн лет (1—4). Звезда входит на главную последовательность (4) и остается в стационарном (устойчивом) состоянии примерно в течение 8000 млн лет, постепенно перерабатывая водород. Затем звезда покидает главную последовательность, расширяется до красного гиганта (5 и 6) и «поглощает» свои планеты в течение последующих 100 млн лет. После нескольких тысяч лет пульсирования в качестве переменной звезды (7) она взрывается как сверхновая (8) и, наконец, сжимается до белого карлика (9). Хотя обычно планеты считают массивными объектами, общая масса всех планет составляет всего лишь 0,135% массы Солнечной системы.

Образование планетной системы

Наши планеты и, как предполагают, планеты, образующиеся в любом протозвездном диске, располагаются в двух главных зонах. Внутренняя зона, которая в Солнечной системе простирается от Меркурия до пояса астероидов, представляет собой зону мелких планет земного типа. Здесь, в фазе медленного сжатия протозвезды, температуры настолько высоки, что испаряются металлы. Эта внешняя зона с планетами типа Юпитера содержит гораздо больше вещества, чем внутренняя, поскольку она имеет большие размеры и поскольку большая часть летучих веществ, первоначально находившихся во внутренней зоне, выталкивается наружу в результате деятельности протозвезды.

Один из способов построения картины эволюции звезды и вычисления ее возраста заключается в анализе большой случайной выборки звезд. При этом измеряют расстояния до звезд, их видимый блеск и цвет каждой звезды.

Большинство звезд располагается на прямолинейной части диаграммы; они испытывают лишь постепенные изменения равновесия по мере выгорания содержащегося в них водорода. На этой части диаграммы, которая называется главной последовательностью, звезды с большей массой имеют более высокую температуру; в них быстрее протекает реакция слияния атомов водорода, и продолжительность их жизни меньше. Звезды с массой меньшей, чем солнечная, имеют более низкую температуру, слияние водородных атомов протекает в них медленнее, и продолжительность их жизни больше. Когда какая-либо звезда главной последовательности израсходует около 10% своих исходных запасов водорода, ее температура снизится и произойдет расширение. Как предполагают, красные гиганты представляют собой «состарившиеся» звезды всех размеров, принадлежавшие ранее главной последовательности. При точном определении возраста звезды эти факторы следует принимать во внимание. Вычисления с их учетом показывают, что ни одна звезда в нашей галактике не старше 11000 млн лет. Некоторые маленькие звезды имеют этот возраст; многие более крупные звезды гораздо моложе. Самые массивные звезды могут находиться на главной последовательности не более 1 млн лет. Солнце и звезды подобных размеров находятся на главной последовательности около 10000 млн лет, прежде чем достигают стадии красных гигантов.

Вопросы и задания для повторения

1. Как» в соответствии с гипотезой Канта-Лап- ласса, из газовопылевой материи формируются звездные системы?

Есть ли различия в элементном составе звездного и солнечного вещества?

Что такое реакция ядерного синтеза? Приведите примеры.

Химия космоса (рассказывает профессор Янис Ямбаргс)