Экскурсии по физике: учебно-профориентационный аспект

– Откуда возникает впечатление, что церковь Иоанна Предтечи постепенно уходит в землю?

– Специалисты каких профессий «принимали участие» в строительстве, украшении и реставрации Храма?

• При изучении законов статики уместным будет обсуждение с учениками на уроке следующих вопросов:

1) Почему на протяжении более чем десяти веков стены церкви Иоанна Предтечи не разрушаются?

2) Как при реставрации церкви Иоанна Предтечи были использованы законы статики? С какой целью во время реставрации сначала был установлен металлический каркас, поддерживающий главный купол церкви?

• Культурно-исторический материал целесообразно использовать в вопросах к школьникам при изучении других разделов физики, например:

▪ при изучении свойств звука:

1) С какой целью в кладке храма были замурованы пустые амфоры в качестве динамиков?

2) Какую роль выполняют голосники во время церковного пения?

3) Почему колокола пришли на смену Билу?

4) Почему храмовые колокола еще называют «туманным маяком»?

▪ при изучении кинематики:

1) Оцените скорость отступления моря от церкви Иоанна Предтечи.

2) «Тмутараканский князь Глеб Святославич мерил море по леду от Тмутараканя до Кърчева 10000 и 4000 сажен» (1 сажень = = 7 английских футов = 84 дюйма = 2,1336 м). Определите это расстояние в метрах, километрах.

3) Оцените скорость передвижения князя от Тмутараканя до Кърчева по льду.

▪ при изучении механических колебаний:

1) Во время службы, когда в храме Иоанна Предтечи загорается много свечей и лампад (рис. 6-3), возникают конвективные достаточно мощные потоки воздуха. Под действием этих потоков большие лампады и люстры, прикрепленные на длинных цепях, начинают совершать малые колебания. Как, наблюдая за движением этих люстр и лампад, установить, что их периоды колебаний зависят от длины цепей, на которых они подвешены?

2) Как с помощью наблюдения за движением люстр и лампад в церкви Иоанна Предтечи доказать изохронность их малых колебаний?

3) Рассчитать длину люстр и лампад храма по наблюдениям, выполненным самостоятельно.

Учителя других естественнонаучных дисциплин могут использовать этот материал на своих уроках. Например:

• Учителя географии могут предложить учащимся интегрированные задания для самостоятельного исследования:

1) Откуда возникает впечатление, что церковь Иоанна Предтечи постепенно входит в землю?

2) Как образуется «культурное наслоение веков?

3) После того, как у стен Керчи «появилось четвертое море» – Северо-Крымский канал – затопленными оказались не только некоторые памятники древней архитектуры, но и многие подвалы современных домов. Это стало причиной того, что в середине 70-х годов и до сих пор стены домов в некоторых районах даже в жаркое время года остаются влажными. Во влажном состоянии постоянно находится и церковь Иоанна Предтечи, что плохо сказывается на состоянии здания и раритетов внутри него. Как можно объяснить это явление? Какие у Вас есть предложения по борьбе с названными явлениями?

• Учителя химии и географии могут сделать темами ученического исследования:

1. Влияние разработок железного месторождения, расположенного вокруг города, на развитие средневекового города и значение храма, построенного на берегу моря, в этом процессе.

2. Специалисты каких профессий принимают участие в разработках железорудного месторождения?

Цель экскурсии. На примере большого адронного коллайдера познакомить учащихся с современными достижениями ядерной и атомной физики. Рассмотреть спектр профессий, обеспечивающих проектирование, монтирование, работу и обслуживание ядерных реакторов.

Существует проблема посещения любого ядерного реактора. Поэтому целесообразна виртуальная экскурсия, которую можно осуществить с помощью современных информационных технологий. На сайте https://www.youtube.com/watch?v=C0MlaMLKrIc учитель физики сможет найти учебный фильм-экскурсию на большой адронный коллайдер (БАК).

БАК – это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, в котором разгоняются протоны и тяжелые ионы свинца и изучаются продукты их соударений (рис. 7, 8). Европейский совет ядерных исследований имеет на своем вооружении самую крупную экспериментальную установку, в строительстве которой принимало участие более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран.

Рис. 7. План БАК с высоты птичьего полета

Рис. 8. Робот-смотритель БАК внутри коллайдера

«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26659 м; «адронным» – он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» (от англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Можно сказать, что БАК нужен почти для того же самого, что и микроскоп. БАК – это аппарат для «разглядывания» и изучения очень маленьких частиц, но обладающих огромными энергиями. Так как объект довольно необычный, то и инструмент для его исследования тоже не относится к привычному арсеналу ученых [4].

Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:

• открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,09 ± 0,21 ГэВ;

• при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений – количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;

• показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;

• обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;

• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;

• получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;

• исследованы события рождения адронных струй;

• подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;

• обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюонантимюонные пары;

• получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;

• объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 году.

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

• лёгкие чёрные дыры;

• возбуждённые кварки;

• суперсимметричные частицы;

• лептокварки;

• неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики (например, W'– и Z'-бозоны).

Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче [4].

Информацию о коллайдере, как и виртуальную экскурсию, школьники могут подготовить самостоятельно под руководством учителя. Здесь следует отметить, что технологические возможности учащихся часто выше, чем учителей. Этим целесообразно воспользоваться при планировании и проведении урока физики, посвященного современным достижениям релятивистской механики.

На уроке такой формы обучения полезно рассмотреть подготовленные школьниками презентации об инженерно-технических и научных профессиях, «причастных» к проектированию, строительству, монтированию, функционированию, обслуживанию и постановки экспериментов на БАК и разнообразных ядерных реакторов.

Цель экскурсии. Актуализировать знания учащихся о двигателях разных типов, нормах расхода топлива, экологичности современных транспортных средств. Подробно знакомить с инженерно-техническими и рабочими профессия, необходимыми для функционирования автотранспортного предприятия и обслуживания автосредств.

Задания для школьников:

– составить и решить задачи на определение КПД на технических характеристик тех или иных автомобилей и двигателей;

– дать задание детям составить задачу на вычисление КПД каждого конкретного автомобиля и провести самостоятельно анализ полученных данных.

Домашним заданием будет проанализировать автомобильный рынок и представить самый экономичный автомобиль реализуемый на данный момент в определенном классе автомобилей. В данном задании важно, чтобы ученик сам проанализировал данные, а не взял их из Интернета.

Цель экскурсии. Ознакомить учащихся с работой паровых турбин, процессом перехода тепловой энергии в механическую и электрическую, особенностями передачи тепла на достаточно большие расстояния, с профессиями энергетической отрасли.

Актуализация. На экскурсии школьников готовят к изучению новой темы – «Электрические явления», наглядно демонстрируя примеры производства электрической энергии и раскрывая ее значение в нашей жизни.

Работая в г. Керчь, авторы предлагают школьникам экскурсию на Камыш-Бурунскую тепло-энергоцентраль (ТЭЦ) – одно из старейших и стабильных предприятий города.

Рис. 9. Камыш-Бурунская ТЭЦ

Строительство ТЭЦ (рис. 9) в Керчи началось в 1937 году. На сегодняшний день ТЭЦ поставляет тепло в город по двум тепломагистралям, растянувшимся вдоль города на несколько десятков километров. По горячим трубам подается горячая вода, от внешней среды они защищены матами минеральной ваты, листами рубероида и оцинкованного железа.

Большой проблемой для ТЭЦ было недостаточно качественное топливо. Сначала предприятие работало на угле, (нередко плохого качества), что сказывалось на отоплении. После перехода на газ и ввода газотурбин, устанавливались лимиты на использование голубого топлива.

Теплоэлектроцентраль помимо тепловой энергии вырабатывает еще и электрическую.

Керченская ТЭЦ работает большую часть года с октября по ноябрь, в летние месяцы не работает. В 90-х годах предприятие пыталось работать круглогодично и поставлять керчанам горячую воду летом, однако, это оказалось нерентабельно, решили работать сезонно.

Керчане надеются, что теплоэнергоцентраль будет еще долго работать, а постепенная реконструкция и модернизирование мощностей смогут ей вернуть конкурентоспособность.

На экскурсии школьники знакомятся с профессиями оператора станции, диспетчера электросетей, инженера и техника по обслуживанию турбин, другого оборудования и т.д.

Цель экскурсии. Ознакомить учащихся с примерами проявления и применения капиллярных явлений, явлений смачивания и несмачивания жидкостью твердого тела, а так же организацией данной лаборатории и с профессиональным составом, представленным в ней.

Химико-биологическая лаборатория организовывается для проведения экспериментов, медицинских и других анализов, а также научных исследований. Может быть присоединенной к высшему учебному заведению, клинике, промышленному предприятию, научно-исследовательскому институту и т.п.

На экскурсии школьники знакомятся с профессиями химико-биологического, медицинского, технологического профиля.

В зависимости от места расположения школы, экономического положения региона учитель может выбрать различные экскурсии учебно-познавательной и профориентационной направленности.

Цель экскурсии. Наглядно продемонстрировать школьникам примеры использования человеком технологий плавления и кристаллизации металла. Показать зависимость цвета металла и агрегатного состояния от температуры.

Знакомство с профессиями, связанными с металлургией.

Цель экскурсии. Наглядно ознакомиться с технологиями производства стекла и различных агрегатных состояний стекла.

Знакомство с редкой профессией стеклодув.

Цель экскурсии. Наглядно продемонстрировать школьникам технологии производства стеклянных и пластиковых елочных игрушек и различных агрегатных состояний вещества.

Знакомство с профессиями связанными с производством детских игрушек и декора (художники, дизайнеры, стеклодувы, химики и т.д.).

Цель экскурсии. Ознакомить учащихся с особенностями конструирования залов и других помещений. Обладающих хорошими акустическими свойствами.

Для театра очень важны акустические свойства помещения.

Особенности планировки театральной сцены и зрительного зала, их оборудование раскрывают взаимосвязь физики с различными отраслями человеческой деятельности: архитектурой, музыкальным и художественным творчеством и т.д.

В музыкальном театре имеют значение музыкальные инструменты различных тембров, помогающих восприятию действий, происходящих на сцене (тревога, радость, погода, шум толпы или одиночество и т.п.). Учащиеся получают практические знания о влиянии свойств звука на человека.

Интересным будет рассказ о профессиях, связанных с театральной архитектурой, производством и настройкой музыкальных инструментов.

Цель экскурсии. Наглядно показать использование звуковых волн в рыболовецком промысле для нахождения косяков рыбы, а также в навигационных приборах при определении глубины моря или другого водоема.

Гидролокатор – средство звукового обнаружения подводных объектов с помощью акустического излучения.

По принципу действия гидролокаторы бывают:

• пассивные – позволяющие определять место положения подводного объекта по звуковым сигналам, излучаемым самим объектом (шумопеленгование).

• активные – использующие отражённый или рассеянный подводным объектом сигнал, излучённый в его сторону гидролокатором.

Активный гидролокатор «Асдик», в его первоначальной примитивной форме, был изобретён в конце первой мировой войны. Основной принцип его действия остался неизменным до настоящего времени. Однако за прошедшие годы эффективность гидролокатора значительно возросла, расширились масштабы его использования, а также увеличилось число классов кораблей, с которых он мог применяться для проведения поиска и атак подводных лодок противника.

Основу составляет приёмопередатчик, который посылает звуковые импульсы в требуемом направлении, а также принимает отражённые импульсы, если посылка, встретив на своём пути какой-либо объект, отразится от него. Эти посылки и отражённые сигналы после преобразования звучат очень похоже на то, как произносится слово «пинг». Поэтому его стали называть «пингсетом» (англ. ping set), работу на нём назвали «пингинг» (англ. pinging), а офицера-специалиста по противолодочной борьбе – «пингер» (англ. pinger).

Рис. 10. Принцип работы эхолота

Вращая приёмопередатчик подобно прожектору, можно определить по компасу направление, в котором послан «пинг», а, следовательно, и направление объекта, от которого «пинг» отражён. Заметив промежуток времени между посылкой импульса и приёмом отражённого сигнала, можно определить расстояние до обнаруженного объекта.

Эхолот – узкоспециализированный гидролокатор, устройство для исследования рельефа дна водного бассейна. Обычно использует ультразвуковой передатчик и приёмник, а также ЭВМ для обработки полученных данных и отрисовки топографической карты дна.

В 2018 году группа исследователей из Пенсильванского университета разработала устройство сокрытия, эффективно работающее под водой. Этот новый «метаматериальный плащ-невидимка» способен перехватить и преломить распространяющиеся под водой акустические волны, которыми прощупывают окружающее пространство гидролокаторы. При этом все это происходит без малейшего отражения или рассеивания звуковых волн, благодаря чему сонар не сможет узнать о том, что в пределах его досягаемости находится какой-либо объект [9].

На судах устанавливаются гидроакустические эхолоты (рис. 10). Эхолоты автоматически указывают глубину моря, которую определяют по скорости распространения звука в воде и промежутку времени от момента посылки импульса до момента его приема [57].

Данная экскурсия весьма актуальна в наше время, потому что в специализированных вузах по подготовке специалистов морского и речного транспорта практически не осталось специальностей, относящихся к рыболовецкой отрасли, для нее необходимых.

Цель экскурсии. Наглядно познакомиться с работой и принципом действия оборудования, использующего силу и энергию электромагнитных взаимодействий неподвижных зарядов.

Предметно представить деятельность инженерно-технических научно-исследовательских специальностей.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) ведет своё начало с 1960 года – времени создания Лаборатории высоких температур АН СССР. За прошедшие 50 лет Институт из небольшой научной лаборатории превратился в крупнейшее учреждение, в составе которого: отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления, ведущий научный центр страны в области энергетики и теплофизики экстремальных состояний.

Основные направления научной деятельности института

• Исследования теплофизических, электрофизических, оптических и динамических свойств веществ и низкотемпературной плазмы в широком диапазоне параметров, включая экстремальные.

• Исследования фундаментальных процессов тепло- и массообмена, газо- и плазмодинамики, преобразования энергии при переменных свойствах рабочих тел и высокой плотности энергетических потоков.

• Решение фундаментальных и прикладных проблем создания эффективной, безопасной, надежной и экологически чистой современной энергетики, в том числе атомной, водородной, авиационной, космической и криогенной.

• Исследования в области энергоресурсосбережения и энергоэффективных технологий, химической энергетики, повышения эффективности использования природных топлив и сырья, использования возобновляемых источников энергии.

• Исследования в области теплофизики интенсивных импульсных воздействий на вещество, материалы и конструкции; разработка методов и создание средств генерации высоких плотностей энергии, взрывов [33].

Цель экскурсии. Наглядно проиллюстрировать учащимся историю развития радиоэлектроники от первых радиоприемников и первых телевизоров и компьютеров, до современных.

В Москве находится музейный комплекс радиоэлектроники входит в структуру подведомственных организаций Департамента образования и состоит из трех музеев. В состав комплекса входят: Музей истории военной техники связи (рис. 11), Музей бытовой радиоэлектроники, Музей радио-любительства им. Э. Т. Кренкеля.

Три музея дают возможность познакомиться с историей развития основных направлений радио-электроники в нашей стране.

Музейный комплекс вызывает интерес, как школьников, так и студентов вузов, радиолюбителей, гостей столицы.

Музеи такого типа можно найти на предприятиях во всех регионах РФ.

Рис. 11. Зал, посвященный послевоенной аппаратуре связи

Посещение музея знакомит школьников с профессиями радио-инженерной направленности, а также с редкими и исчезающими профессиями, связанными с ремонтом и наладкой данной аппаратуры.

11 Класс

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОКЭкскурсия в трамвайное или троллейбусное депо

Цель экскурсии. Знакомство с особенностями применения постоянного тока, устройством и принципом действия трамвая или троллейбуса, особенностями силовых установок.

Трамвайная история от «конки» до современных трамваев «Витязь» очень интересна. В сборниках нет задач с использованием характеристик трамваев и троллейбусов. Мало кто знает, что они работают от источников постоянного напряжения 550 В. Современный «Витязь» имеет 6 двигателей мощностью 72 кВт каждый. Максимальную скорость, которую может развить трамвай равна 75 км/ч. Эти данные могут быть использованы при рефлексивном составлении и решении задач после экскурсии.

Так же, как и на железнодорожном транспорте, используются не только пассажирские трамваи, но и грузовые, платформы, очистители путей и краны, о работе которых школьникам будет интересно узнать. Для многих учеников интересен момент перевода пантографа троллейбуса с одних контактных путей на другие и перехода трамвая по стрелкам.

Обучающиеся знакомятся с профессиями, обслуживающими подвижной состав, водителя троллейбуса и трамвая, особенностями работы инженеров и конструкторов электротранспорта.

Экскурсия в музей метрополитена

Цель экскурсии. Познакомить учащихся с устройством метрополитена и подвижного состава, с историей развития метрополитена. Наглядно увидеть примеры использования переменного тока в технике.

Народный музей Московского метрополитена основан в 1967 году по инициативе ветеранов метрополитена. Расположен музей в южном вестибюле станции «Спортивная» на втором и третьем этажах. При создании экспозиции использовались материалы Управления метрополитена, фонды Государственного архива кинофотодокументов, Государственной библиотеки имени В. И. Ленина и оборудование, снятое с эксплуатации.

Основная задача музея – рассказать посетителям об истории создания и этапах строительства метрополитена Москвы.

В основу первой экспозиции вошли документы, сохраненные работниками метрополитена. Они рассказывают о людях метрополитена. Экспозиция знакомит также и с историей постоянного развития техники, обеспечивающей безопасность, культуру и комфорт перевозки пассажиров. Этому способствуют и действующие макеты различных технических систем.

Выставляется различное оборудование, снятое с эксплуатации, именные поезда. В 2006 году было обновлено внешнее и внутреннее оформление именного поезда «Народный ополченец», где сейчас размещены красочные плакаты, рассказывающие об истории 18-й дивизии Народного ополчения города Москвы, а также о работе метро в годы Великой Отечественной войны.

Передовые музейные технологии, использующие современную технику, в том числе и компьютерные, активно внедряются в Народном музее Московского метрополитена. Ориентированы они, в том числе, и на улучшение и повышение результативности научно-исследовательской работы музея.

С 2006 года в музее проводятся видеоэкскурсии, во время которых посетители музея совершают увлекательное путешествие в прошлое Москвы и Московского метро, знакомятся с сегодняшним днем крупнейшей транспортной артерии столицы, а также имеют возможность совершить небольшое путешествие по метрополитенам других городов – Санкт-Петербурга и Минска. В музее представлены: документы, сохранённые работниками метрополитена; коллекция проездных документов и жетонов за большой период времени, (в том числе метрополитенов других городов); действующие макеты различных систем (кабина машиниста электропоезда (рис. 12), турникет, модель эскалатора, светофоры, различные пульты и др.) [30].

Рис. 12. Все желающие могут попробовать себя в роли машиниста метро

Знакомство с профессиональным составом сотрудников, инженерными и обслуживающими не только подвижной состав профессиями, а также служб, работающих с пассажирами, позволяет расширить представления о профессиональном составе работников метрополитена, как технических, так и гуманитарных специальностей.