Элективный курс «Энергетика и окружающая среда»

Министерство образования, науки и молодежной политики РТ

МОУ СОШ с.Торгалыг Улуг-Хемского кожууна

УТВЕРЖДАЮ

ДИРЕКТОР: ______________

Тюлюш А.А.

«____»_____________ 200___г

Элективный курс

«Энергетика и окружающая среда»

(Физика 11 класс)

Учитель: Кыргыс Ч.С.

Торгалыг 2009г

Содержание

Введение (пояснительная записка).
Программа элективного курса.
УМК к элективному курсу «Энергетика и окружающая среда». А). Учебно-тематический план.

Б). Поурочное планирование.

В). Методические рекомендации к содержанию и проведению занятий.

4. Методические приложения.

Лекции.
Практические работы.
Лабораторные работы. Литература.

Пояснительная записка

Программа элективного курса «Энергетика и окружающая среда» предназначена для учащихся 11 класса.

Проблемы охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов, энергетического кризиса стали исключительно актуальны. В природных процессах наблюдаются опасные изменения, угрожающие устойчивости биосферы и нормальному развитию человеческого общества. Отмечено опасное потепление климата, изменение воздушных течений и состава атмосферы, расширение пустынь, исчезновение отдельных видов животных и растений. Воздействие человека на природу приобрело глобальный характер и продолжает возрастать. Запросы общества превышают возможности природы, тот предел допустимых изменений, при котором сохраняется устойчивость биосферы. Около 20 % территорий России испытывают острые и очень острые экологические ситуации. Уровень изношенности производственной, жилищно-коммунальной инфраструктур таков, что катастрофы и аварии стали нормой. Экологические проблемы в России и в мире достигли такой остроты, что не повлияй на них сейчас, они способны привести человечество к гибели. В этих условиях экологическое воспитание, формирование экологической культуры и нового мышления, ориентированного на изменение путей и методов развития цивилизации, стало необходимым фактором выживания.

Предлагаемая программа посвящена вопросам использования различных видов энергии. Одно из ключевых экологических понятий в курсе физики - понятие энергии. Энергетика служит основой любых процессов во всех отраслях народного хозяйства, главным условием создания материальных благ, повышения уровня жизни людей. Повышение жизненного уровня вызывает рост потребления энергии на душу населения. Энергия -важный фактор существования и развития человеческого общества.

Современная энергетика требует использования всех видов энергоресурсов Земли и энергии Солнца. Однако современная технология производства энергии ведет к тепловому, химическому и радиоактивному загрязнению биосферы, порождает множество других экологических проблем, требует поиска других экологичных источников энергии.

Содержание элективного курса отражает взаимосвязь между общественными, естественными и техническими науками при ведущей роли физических знаний. Элективный курс позволяет решать следующие задачи:

последовательно раскрыть ученикам главные природные закономерности и на этом фактическом материале добиться усвоения учениками основ экологии;
развивать способность и умение наблюдать природные явления и, процессы, анализировать факторы взаимодействия человека и природы, т. е. формировать исследовательские навыки по экологии;
систематически осуществляя связь теории с практикой, привлекать учащихся к экологической деятельности;
анализировать перспективы дальнейшего развития цивилизации, использования природных ресурсов, приумножения и охраны природы;

- представляет школьникам возможность развить определенные
природоохранные умения и навыки.

При составлении программы учитывалась возможность связи экологического материала с программой основного курса физики, ее расширение и углубление, возможность способствовать ориентации учащихся в специальностях, требующих глубоких знаний по природоохранительным вопросам и развитие у них экологической культуры.

Физика является ядром научно-технического прогресса, ее достижения лежат в основе современных технологий. Это позволяет показать учащимся все возрастающие масштабы воздействия человека на природу, последствия этого воздействия и решения проблем защиты окружающей среды.

Содержание элективного курса позволяет ознакомить обучающихся с различными видами энергии, дает возможность формирования целостного представления о проблеме энергетики, возможных путях ее решения.

Данный курс может иметь существенное образовательное значение для учащихся физико-математического, естественно-научного, социально-экономического, информационно-технологического, агротехнологичес-кого, оборонно-технического и других профилей. Важная особенность курса «Энергетика и окружающая среда» заключается в том, что его можно рассматривать как универсальный курс: в одном случае его со- держание способствует реализации углубленного содержания выбранных в соответствии с профилем предметов, в другом, что не менее важно, несет в себе общезначимую культурологическую направленность, создает предпосылки для формирования экологической культуры будущих специалистов нового поколения. Ожидается, что они войдут в производственную сферу не только техническими, но и экологически грамотными личностями, способными решать экологические задачи, активно защищать природные комплексы и в целом окружающую среду, участвовать в улучшении экологической обстановки того региона, где им предстоит работать и жить.

Элективный курс рассчитан в 11 классе на 34 учебных часа, с учетом методологических особенностей, утвержденной Министерством образования РФ программы профильного обучения по физике.

Обычно преподаватели испытывают острый дефицит литературы по теме элективного курса, поэтому некоторые основные вопросы приводятся в виде лекций, лабораторных и практических работ в приложениях, а также имеется богатый библиографический список литературы. В качестве дидактического материала для учащихся (хотя бы по 1 экземтяру на стол) необходимо иметь комплект книг из серии «Альтернативная энергетика», атлас «Экология планеты Земля» (подробно см. в приложениях). Это одновременно и атлас, и учебное пособие, дающее учащимся глубокое представление о наиболее важных проблемах окружающей среды нашей планеты.

Содержание книги раскрывает не только суть проблемы, но также указывает на возможные пути их решения, содержит точные данные статистики, снабжены цветными фотографиями, картами, диаграммами, что существенно облегчает и повышает успешность преподавания данного элективного курса.

Программа элективного курса (34 часа)

1. Введение. Энергетические проблемы НТР (2 ч.).

Экологическая ситуация в мире. Энергетический кризис. Энергетика и давление на биосферу. Потребление ресурсов энергообеспечения. Энергетика современности и будущего. Экологические проблемы энергетики (в настоящем и будущем).

2. Эффективность электрификации (2 ч.).

Универсальность электроэнергии. Электрификация промышленности. Электрификация технологических процессов сельского хозяйства и транспорта. Электрическое освещение. Производство, передача и использование

электроэнергии, источники влияния на биосферу, роль электроэнергетики в народном хозяйстве. Энергосбережение.

3. Использование солнечной энергии (8 ч.).

Гелиоэнергетика. Преобразование солнечной энергии в тепло. Преобразование солнечной энергии в элекгрическую. Фотопреобразователи. Ге-лиоконденсаторы. Солнечные батареи.

4. Ядерная энергетика (9 ч.).

1.Физические основы ядерной энергетики.

Экологические проблемы АЭС. Факторы воздействия на окружающую среду.
Аварии на АЭС и их последствия (анализ причин и последствий).
Воздействие радиации на живые организмы. Эквивалентная доза. Активность источника.

Взаимодействие ядерных излучений с веществом. Биологическое действие ионизирующего излучения. (Острое поражение. Отдельные (генетические) последствия облучения). Ядерные взрывы и их последствия. Ядерные реакторы, их типы, пути совершенствования. Современное развитие и перспективы ядерной энергетики. Концепция «риск - польза», социально-психологический аспект.

Ъ. Достижения физики и решение экологических проблем (5 ч.).

Альтернативная энергетика. Энергетика ядерного синтеза. (Проблемы использования). Смешанные источники энергии. Биоэнергетика. Возобновляемые источники энергии.

Экологические проблемы использования различных видов энергоресурсов. Экологические аспекты использования ядерной энергии и утилизации радиоактивных отходов.

Энергетика, использующая разность температур. Космическая энергетика (проекты и перспективы). Обобщение материала по альтернативной энергетике.

6. Мониторинг (физические основы), (4ч.).

Физические основы очистных аппаратов (сооружений).

Мониторинг атмосферного воздуха. Определение загрязнений в атмосфере. Мониторинг почвы. Сравнительные показатели среднесуточных ПДК (воздуха, почвы, воды).

Примечание: в курсе предусматривается проведение практических работ (3 ч.), лабораторных работ (3 ч.), семинаров (9 ч.), конференций (2 ч.), проектная деятельность (6ч.).

1. Учебно-тематический план (34 часа).

п/и	Наименование тем курса	Всего часов	В том числе							Формы контроля
			лекции	Семинары	Лаб. Раб.	Прак.раб.	экскурсии	Проект. Деят.	конференции
1.	Введение. Энергетические проблемы ИГР.	2	1							Распределение вопросов к семинарам, тематических проектов,планы по изготовлению мо-делейдестирование.
2.	Эффективность электроэнергии. Электрификация и энергосбережение.	2	1	1						Участие в семинарском занятии, тестирование.
3.	Использование солнечной энергии.	8	2	2	1	1		2		Участие в семинаре; сггчет по лабораторной работе, отчет по практической работе (модель), создание проекта.
4.	Ядерная энергетика.	9	4	2		1		2		Участие в семинарах; выполнение лабораторных и практических работ, составление отчетов. Создание проекта по теме.
5.	Достижения физики и решение экологических проблем.	5	2	2		1				Участие в семинарах, выполнение проектной работы (отчет), создание проекта по теме.
6.	Мониторинг (физические основы).	4	1	1	2					Участие в семинаре, отчет по лабораторным работам.
7.	конференция	4						2	2	Защита проектов.
		34	1!	9	3	3		6	2

2. Поурочное планирование элективного курса «Энергетика и окружающая среда» (11 класс, 34 часа).

1. Введение (2 ч.). Энергетические проблемы НТР.

Лекция «Энергетический кризис. Экологическая ситуация в мире. Энергетика и давление на биосферу» (1 ч.).

Семинар «Энергетика современности и будущего. Экологические проблемы энергетики (в настоящем и будущем)» (I ч.).

2. Эффективность электрификации (2 ч.).

Лекция «Производство, передача и использование электроэнергии и источники влияния на биосферу» (1 ч.). Семинар. «Универсальность электроэнергии. Электрификация промышленности. Электрификация хозяйства и транспорта. Электрическое освещение. Вопросы энергосбережения» (1 ч.).

3. Использование солнечной энергии (3 ч.).

Лекция «Альтернативная энергетика. Преобразование солнечной энергии в тепло. Гелиоэнергетика» (1 ч.).

Лекция «Гелиоэнергетика. Преобразование солнечной энергии в электрическую. СЭС» (I ч.).

Семинар «Проекты гелиоэнергетики. Гелиоэнергетика и технические основы ее использования. География гелиоэнергетики» (1 ч.).

Семинар «Фотопреобразователи. Гелиоконденсаторы. Солнечные батареи. Космическая энергетика» (1 ч.).

Лабораторная работа «Улавливание солнечной энергии и ее использование дам нагрева воздуха и воды. Оценка нагревательной способности системы» (1 ч.). ' Практическая работа «Изучение основ гелиоэнергетики. Изготовление действующей модели солнечной печи» (1 ч.).

Проектная деятельность (2 ч).

4. Ядерная энергетика (9 ч.).

Лекция «Физические основы ядерной энергетики» (1 ч.).

Лекция «Экологические проблемы АЭС. Факторы воздействия на окружающую среду» (1 ч.).

Лекция «Аварии на АЭС и их последствия (анализ причин и последствий)». (I ч.).

Лекция «Воздействие радиации на живые организмы. Эквивалентная доза. Активность источников» (1 ч.).

Семинар «Взаимодействие ядерных излучений с веществом. Биологическое действие ионизирующего излучения (острое поражение, отдаленные (генетические) последствия облучения). Ядерные взрывы и их последствия» (1 ч.).

Семинар «Ядерные реакторы, их типы, пути совершенствования. Современное развитие и перспективы ядерной энергетики. Концепция «риск - польза», социально-психологический аспект» (1 ч.).

Практическая работа «Основы радиометрии. Изучение устройства и принципа действия приборов, регистрирующих ядерное излучение, радиационный фон, поглощенную дозу» (7 ч.).

Проектная деятельность (2 ч.).

5. Достижения физики и решение экологических проблем (5 ч.).
Лекция «Альтернативная энергетика. Энергетика ядерного синте
за (проблемы использования). Смешанные источники энергии» (I ч.).

Лекция «Биоэнергетика. Возобновляемые источники энергии» (1 ч.).

Практическая работа «Изучение основ биоэнергетики. Изучение процессов получения биогаза» (1 ч.).

Семинар «Достижения физики и решение экологических проблем в связи с использованием различных видов энергоресурсов. Экологические аспекты использования ядерной энергии и утилизации радиоактивных отходов».

Семинар «Энергетика, использующая разность температур. Космическая энергетика (проекты и перспективы). Обобщение материала по альтернативной энергетике» (1 ч.).

6. Мониторинг (физические основы), (4 ч.).

Лекция «Физические основы очистных аппаратов (сооружений)» (1 ч.).

Семинар «Мониторинг атмосферного воздуха. Определение загрязнителей в атмосфере. Мониторинг почвы. Сравнительные показатели среднесуточных ПДК (воздуха, почвы, воды)» (1 ч.).

Лабораторная работа «Загрязнение воздуха. Оценка степени загрязненности воздуха» (1 ч.).

Лабораторная работа «Мониторинг кислотных осадков» (1 ч.). 7. Итоговая обобщающая конференция по элективному курсу «Энергетика и окружающая среда» (11 класс), (2 часа).

3. Методические указания по содержанию и проведению занятий элективного курса «Энергетика и окружающая среда». /. Введение.

Данная тема является введением к курсу. На обзорном семинаре проводится обобщение уже изученного материала и постановка новых учебных задач.

На вводной лекции рассматриваются общие черты экологической ситуации в мире:

глобальное загрязнение окружающей среды, всех элементов биосферы, атмосферы, гидросферы и метосферы;
глобальное истощение природных ресурсов;
изменение природных процессов и параметров окружающей среды в результате антропогенной деятельности;
проявление тенденции к необратимым изменениям среды;

- увеличение доли искусственной среды за счет уменьшения природной.
Почти все, взятое у природы, возвращается в нее обратно, но уже в

деформированном, плохо пригодном для восприятия и переработки виде. Это связано с чрезвычайно низким уровнем коэффициента потребления природных ресурсов, равным всего лишь 2 %. Неиспользованные 98 % отправляют в окружающую среду, загрязняя атмосферу, воду, почву и живые организмы. Эти 2 % - потрясающий факт неразумного потребительства, плата за эйфорию по отношению к научно-техническому прогрессу.

Обучающиеся знакомятся с общей структурой элективного курса. Обсуждаются формы и виды деятельности, объемы семинарских докладов и проектных работ, а также распределение докладов на семинарских занятиях, составление отчетов, написание проектов, изготовление моделей. Целесообразно обсудить с учащимися темы и содержание проектов, которые будет вынесены на заключительную конференцию в конце года.

На семинаре рассматриваются вопросы, связанные с энергетическим кризисом, потреблением ресурсов. Повторяются уже известные вопросы давления энергетики на биосферу. Поднимаются вопросы энергетики будущего.

2. «Эффективность электрификации» (2 ч.).

В данной теме рассматриваются вопросы электрификации (см. приложение). Самый распространенный вид энергии - электричество. Его можно транспортировать на большие расстояния, превращать в свет, тепло, механическую работу. Электрификация - процесс широкого внедрения в народное хозяйство, в том числе в природопользование и быт, электрической энергии. Традиционно считается, что такая энергия должна вырабатываться централизованно, на мощных электростанциях и объединяться высоковольтными сетями в единые энергетические системы. Для промышленности, требующей централизованной энергии, эта точка зрения верна, но для рассеянных сельскохозяйственных предприятий, сельского быта, малых городов и нерельсового транспорта ее можно считать устаревшей. Сейчас в ряде случаев целесообразен переход на рассредоточенное получение малоконцентрированной энергии из альтернативных источников, не объединенных в энергосистемы. Связано это с тем, что получение концентрированной энергии угрожает вызвать крупный термодинамический разлад в крупных экологических системах планеты, вплоть до ее биосферы в целом. В данной теме рассматриваются технические и экономические вопросы производства, передачи и использования электроэнергии, ее универсальность, простоту преобразования в другие виды энергии, высокий КПД, возможность питания от одного источника целого ряда потребителей разной мощности, полное отсутствие вредных отходов. Делается исторический-экскурс в развитие энергетики в СССР.

В этой теме на семинаре важно рассмотреть вопросы энергосбережения. Вот несколько примеров.

Пример 1. В 1990-е годы у нас в стране на освещение использовалась примерно 1/8 часть произведенной энергии. Но эта энергия потреблялась, в основном, лампами накаливания - устройствами, световая отдача которых всего 1 %. Переход на более экономичные люминесцент-'ные источники света принес и больше света в наши помещения, и экономию энергии. Ученые посчитали, что неэффективное освещение ежегодно уносило около 60 млрд кВт часов электроэнергии, для производства которых нужно сжечь 18 млн тонн угля или 12 тонн нефти.

Пример 2. Только 1/3 часть тепла, пришедшего в наши дома, действительно его отапливает. Сколько же уходит через плохо утепленные окна и двери? 16 % уходит через кровлю, 18 % - через стены, 6 % - через подвалы. Новые конструкции зданий, усовершенствованные строительные материалы помогут нам сократить потери тепла в наших домах.

Пример 3. 3640 млн. киловатт-часов ежегодно расходуются только на то, чтобы подавать в квартиры воду, которая бесполезно вытекает через плохие краны. На пути экономии мы можем найти тоже весьма обильные энергетические источники.

3. «Использование солнечной энергии» (8 ч.).

В лекциях ребята знакомятся с вопросами по следующей схеме:

«Солнечная энергия - основа жизни. Источник солнечной энергии -ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца (термоядерная реакция)». 30 % солнечных лучей рассеиваются в земной атмосфере, а остальная часть достигает поверхности Земли в виде тепла и света. Эта энергия в 15000 раз превышает ежегодное мировое потребление. История использования солнечной энергии началась в XIX в во Франции, когда были созданы первые солнечные батареи с достаточно низким КПД. Тогда был открыт фотоэффект и были сделаны первые попытки применить полупроводниковые элементы в солнечной энергетике. «Солнечная архитектура» - это современное направление, использующее в качестве источника тепла солнечную радиацию, коллекторы различных конструкций, вакуумные обогреватели.

Солнечные электростанции и принципы их работы (на примере «Со-лар 1», Калифорния). Вопросы аккумулирования солнечной энергии. Химический метод получения электричества от Солнца. Проекты СЭС в различных странах, их устройство и принцип действия. Гелиофотоэнерге-тические установки. Новые солнечные батареи с КПД 30 % (теоретически - до 90 %). Гелиокосмонавтика (проекты и перспективы, см. приложение).

4. «Ядерная энергетика».

На лекциях обучающиеся изучают физические основы ядерной энергетики, получают основы знаний о ядерной энергии, радиации, изучают историю становления атомной энергетики, получают знания об ионизирующей опасности (см. уроки-лекции в приложениях). Рассматривают экологическое проблемы АЭС, факторы воздействия на окружающую среду, производят анализ причин и последствий аварий на АЭС. Главная проблема атомной энергетики - это проблема безопасности. Атомная электростанция - это, по сути, атомная бомба, процессы в которой, по выражению физиков, замедлены до стационарного состояния. И хотя ни при каких условиях атомная электростанция не может превратиться в атомную бомбу и взорваться, всегда существует опасность радиоактивного облучения и работников станции, и окружающего населения. Поэтому при проектировании станций, при их строительстве и эксплуатации принимаются экстраординарные меры безопасности. И все же даже этих экст- раординарных мер иногда оказывается недостаточно. Эксперты комиссии по атомной энергии США произвели расчеты возможности аварий на 100 атомных электростанциях. Вероятность крупных аварий на 100 атомных электростанциях Америки в 1980 г. была равна 0, 00001. Это означает, что такая авария возможна не чаще, чем один раз в миллион лет. И тем не менее, в марте 1975 г. произошла авария на атомной электростанции «Брауна Фэрри» в Калифорнии; на атомной электростанции «Кристал ривер» в штате Флорида 240 тыс. литров радиоактивной воды вылилось из системы охлаждения реактора, но была задержана в защитном коллекторе. Радиация в коллекторе превышала смертельный уровень в 10 раз. В 1979 г. атомная электростанция на острове Три-Майл (штат Пенсильвания) произошла авария, после чего широкая общественность всерьез заинтересовалась проблемами безопасности атомных реакторов. Эта проблема перестала быть «внутренним делом» специалистов по атомной энергетике. В результате один за другим были вскрыты факты большого числа сбоев и неполадок на АЭС в США. В 1983 г. произошел двукратный отказ системы безопасности на реакторе Селе-ме в штате Нью-Джерси. В 1985 г. едва не отказала система безопасности охлаждения ректора АЭС «Девид-Бесс» в штате Огайо и т. д. Из 16 названных в докладе АЭС 13 пришлось закрыть. Среди основных факторов, ставящих АЭС на грань серьезных аварий с непредсказуемыми последствиями, называются халатность, недостаточное внимание к исправлению повреждений, плохое руководство и техническое обслуживание.

Подобные же проблемы с АЭС существуют и в других странах: в 1981 г. в Японии был остановлен на неопределенное время реактор ядерной электростанции «Генкай», обнаружены опасные неполадки в работе. Совершенно случайно стало известно, что в большинстве трубопроводов на АЭС имеются многочисленные трещины. По данным японской печати только в 1986 г. было зарегистрировано по меньшей мере 10 серьезных аварий, вызвавших остановку реакторов. В 1986 г. авария произошла на атомном заводе Селлафильде в Великобритании в результате утечки нитрата плутония. 15 человек были облучены, а радиоактивные отходы были выброшены в Ирландское море, что привело к радиоактивному заражению не только побережья, но и Скандинавии, Исландии и даже Гренландии.

Серьезная авария была на АЭС «Хинкли-Пойнт» в графстве Сомерсет в 1985 г. В атмосферу было выброшено около 8 тонн радиоактивных газов, люди подверглись радиоактивному облучению и т. п. Обучающиеся по заданию преподавателя находят в Интернете, литературе и периодических изданиях информацию по теме (см. приложения). Делается вывод о том, что ни одна страна в мире не застрахована от аварий на атомных станциях. Столь низкая верятность аварий, о которой было сказано выше, не учитывает халатности, безответственности, которые абсолютно недопустимы при работе с такой потенциально опасной техникой. На семинарах и в проектной деятельности рассматриваются причины аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Изучаются результаты и последствия этой аварии и их воздействие на окружающую среду. Литература по данной теме см. в приложениях, а также теоретическом проекте «Физико-технические и технологические проблемы атомной энергетики». ,

На семинарах также рассматриваются вопросы взаимодействия ядерных излучений с веществом, биологическое действие ионизирующего излучения; ядерные реакторы и их типы, пути совершенствования.

На практической работе изучаются основы радиометрии и основные радиометрические приборы.

На консультациях по проектной деятельности учащимся оказывается помощь в подборе содержания литературы и планирования проектной деятельности: определение объекта и предмета исследования, а также его целей, постановку задач исследования и изложение его результатов в виде теоретического проекта. Большую помощь при изучении данной темы может оказать следующая литература:

1. Володин В. В., Хазановский П. М. Энергия, век двадцать первый:

научно-худ. лит-ра. - М: Дет. лит-ра, 1989.

2. Проценко А. Н. Энергия будущего. - М.: Молодая гвардия, 1990.

5. «Достижения физики и решение экологических задач» (5 ч.).

Существование человеческого общества и его развитие возможно только за счет потребления природных ресурсов. Будущее цивилизации зависит от того, за счет каких ресурсов она будет развиваться (см. приложение).

Природные ресурсы делятся на исчерпаем ые и неисчерпаемые. Среди исчерпаемых ресурсов выделяются возобновляемые и невозобновляе-мые. К неисчерпаемым видам энергии относится энергия (солнечная, геотермическая, гравитационная, ветровая). Экономия ресурсов -важное направление решения экологических и энергетических проблем, но более перспективным направлением является поиск альтернативных источников энергии. Многие из них известны и активно разрабатываются. Это термоядерная энергетика, кислородно-водородное топливо, гелиоэнергетика, использование энергии земного тепла, морских течений, приливов, волн, ветра, тепловой энергии океана, биогаз. Большинство из них уже изучены в I части курса. Здесь рассматриваются энергия ядерного синтеза и вопросы биоэнергетики. Большие надежды человечество возлагает на получение энергии при синтезе легких ядер изотопов водорода. Главных причин этого две: практически неисчерпаемые запасы горючего и практически полное отсутствие опасности ядерного и топливного взрыва. Трудность заключается в том, что для получения энергии при управляемом синтезе необходимо создать чрезвычайно высокую температуру - 100000000°К в достаточно большой массе реагирующего вещества, поддерживать ее в течение длительного промежутка времени. Технологические сложности исследования по термоядерному синтезу установки «Токамак - 7», «Токамак - 10», «То-камак - 15»; лазерный термоядерный реактор, лазерные энергетические комплексы будущего. Запасы дейтерия в Мировом океане таковы, что их хватит на миллиарды лет. Управляемый термоядерный синтез отличается высокой безопасностью и очень малым воздействием на окружающую среду (см. приложение).

На практической работе рассматриваются вопросы получения биогаза. Биоэнергетика - единственная отрасль энергетики, не угнетающая природу, а наоборот, обогащающая ее, которая может решить не только проблему нехватки энергии, но и утилизации многих видов бытовых отходов. На лекциях и семинарах рассматриваются современные достижения физики и их возможное использование для энергетики XXI в.:

использование сверхпроводимости в генераторостроении (главная проблема - создание и поддержание сверхпроводящего состояния обмотки ротора);
создание криогенных турбогенераторов, для которых нет принципиальных технических ограничений по мощности - объективная необходимость для развития энергетики будущего;
перспективы и технические проблемы развития магнито-гидродинамичес-кого генерирования электрической энергии - новой отрасли энергетики. МГД-генераторы - это генераторы будущего (перспективы и технические проблемы);

- использование сверхпроводников для передачи электрической
энергии и «хранения» ее в больших количествах.

Возможно, что в XXI в. в энергетику придут термоядерные электростанции, но все традиционные методы получения энергии все же будут занимать основное место в энергетическом балансе. Поэтому необходимо усовершенствовать эти технологии, превратить их в экологически более чистые и экономичные. Ученые считают, что преобразование облика энергетики XXI в. будет определяться такими достижениями научно-технического прогресса, как керамические двигатели, высокотемпературная сверхпроюдимость, плазменные технологии, новые атомные реакторы, новые, более эффективные способы сжи-гания угля и возобновляемые источники Энергии! В этих областях науки и техники огромное поле для деятельности будущих ученых и инженеров. 6. «Мониторинг (физические основы)» (4 ч.).

На лекции обучающиеся изучают основные виды мониторинга. Мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды. Рассматриваются первоочередные направления в системе глобального мониторинга, уровни мониторинга и классификация мониторинга, предложенная академиком И. П. Герасимовым (см. приложения). Далее повторяются вопросы темы, физические основы очистных аппаратов, изученные в I части (10 класс).

На семинаре изучаются основные загрязнители окружающей среды:

виды загрязнителей;
основные источники загрязнения;

возможные влияния на состояния атмосферы. Обучающиеся знакомятся с вопросами санитарной охраны окружающей

среды, которая предусматривает соблюдение предельных нормативов содержания загрязнителей в воздухе, в воде и почве, называемых предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Различие между предельно допустимым и фактическим состоянием характеризует экологический резерв системы. Экологический резерв системы определяет возможную долю возобновляемых природных ресурсов, которая может быть изъята из биосферы без нарушения основных свойств среды.

Для получения практических умений и навыков целесообразно выполнить лабораторные работы:

- мониторинг кислотных осадков;

- оценка степени загрязнения воздуха (см. приложения).

7. Научно-практическая конференция.

Итогом изучения элективного курса «Энергетика и окружающая среда» может стать заключительная научно-практическая конференция обучающихся.

Проведение такой конференции налагает на ее организацию ряд требований:

подготовку конференции начинают с проведения организационного собрания ее участников, где утверждают план конференции, вопросы, которые должны прозвучать, тематику лучших проектов, которые должны быть представлены, распределяются конкретные обязанности учеников.

С целью повышения интереса слушателей необходимо все доклады иллюстрировать, сопровождая их демонстрацией моделей, схем, опытов, компьютерных презентаций по темам проектов и результатов социологических опросов населения района по вопросам экологической обстановки.

• Необходимо как можно больше разнообразить методы работы участников конференции: облекать конференцию в форму научного симпозиума, совещания специалистов и т. д. Необходимо чередовать доклады и защиту проектов с выступлениями оппонентов, продумать возможность широкого привлечения слушателей к активному участию в работе конференции.

Залог успеха конференции заключается в правильном выборе тем проектов, в четком распределении обязанностей, в сочетании добровольности при выборе работы самими учащимися с обязательностью ее выполнения, в наличии постоянного контроля и учета работы. Учащиеся получают итоговые результаты индивидуального рейтинга по итогам работы, которые могут быть включены в школьный портфолио.

Материалы для составления лекций

Достижения физики и решение экологических задач

Лекция 1. Альтернативная энергетика.

Энергетика ядерного синтеза

Есть такое правило: встап поутру, умылся, привел себя в порядок - и сразу же приведи в порядок свою планету.

А. Сент-Экзюпери.

Решение экологических проблем современной цивилизации возможно лишь при использовании достижений научно-технического прогресса и особенно современной физики.

Физика и ее развитие на стыках с различными науками, например, химией, биологией, кибернетикой и геологией, дает возможности найти альтернативные решения большого числа экологических проблем, а особенно связанных с загрязнением биосферы, истощением ее ресурсов, производством энергии, транспортом и т.п. Альтернативная энергетика

Давно известно, что человечество должно экономить энергоресурсы и произведенную энергию. Однако это не означает, что нужно уменьшить ее производство. Экономия предполагает более эффективное использование энергоресурсов и производственной энергии. А это значит, что нужно разработать такие двигатели, чтобы на 10 литрах бензина проехать не 100 километров, а 300 - 400, чтобы не тратить электроэнергию на снятие стружки с обрабатываемой детали в течение часов, а найти другой способ достижения нужного размера. И, конечно,

нельзя мириться с расхлябанностью, когда впустую горят лампочки, крутятся станки, течет вода, уходит тепло, гниет в хранилищах урожай, на производство которого затрачены сотни тысяч тонн горючего, с разбросанным повсюду металлом, на производство которого израсходованы миллионы киловатт/часов электроэнергии.
Экономия ресурсов - важное направление, но оно в принципе не решит экологическую проблему истощения энергоресурсов. Как нефть ни экономить, все равно она когда-нибудь кончится, не через 30, так через 50 лет. Проблема остается!
Другое, более перспективное направление в решении экологических и энергетических проблем - поиски альтернативных источников энергии. Многие из них известны и активно разрабатываются. Это термоядерная энергетика, кислородно-водородное топливо, гелиоэнергетика, использование энергии земного тепла, морских течений, приливов, волн, ветра, тепловой энергии океана, биогаз.
Энергетика ядерного синтеза Большие надежды человечество возлагает на получение энергии при синтезе легких ядер изотопов водорода. Главных причин у этих надежд две: практически неисчерпаемые запасы горючего и практически полное отсутствие радиационной опасности. К тому же, полностью отсутствует опасность ядерного или теплового взрыва.
Трудности заключаются в том, что для получения энергии в больших масштабах при управляемом синтезе ядер необходимо создать чрезвычайно высокую температуру - около 10⁸К в достаточно большой массе реагирующего вещества и поддерживать ее в течение довольно большого промежутка времени, длительного, разумеется, в масштабах микромира.
Если принять, что мощность термоядерного реактора должна быть примерно равна мощности реактора деления, технологически разумный объем активной зоны порядка 100 м³, то из критерия Лоусона
и.г>10²
При Т = 10⁸К получим значение плотности высокотемпературной плазмы и время удержания температуры:
щ20 -3 .
"min=¹⁰ ^м ^т>1с-
Выполнение всех этих условий является чрезвычайно трудной научной и технической задачей.
Известно довольно много реакций синтеза на легких ядрах. Для их осуществления требуются очень высокие температуры для преодоления барьера кулоновского отталкивания при сближении ядер. Ясно, что чем меньше заряд ядер, тем меньше температура. К таким ядрам отно-

сятся изотопы водорода: протон - |Н', дейтерий -|Н и тритий - ₍Н . Для управляемого синтеза наиболее подходящими являются реакции:

₁Н²+,Н²-₁Н'+,Н³ + 4МэВ
,Н² + iH² + ₂Не³ + „п¹ + 3,3 МэВ
,Н² + ,Н³ - ₂Не⁴ + ₀п' + 17,6 МэВ

Реакция 3 наиболее энергетически выгодна, но 1 и 2 предпочтительнее, так как в них участвует только дейтерий, запасы которого на Земле практически неисчерпаемы, в океанских водах его около 4Т0 т.

Работы по созданию энергетического термоядерного реактора ведутся уже 30 лет в СССР, США, Англии, Франции, ФРГ и некоторых других странах. Предполагается, что уже в 2020 году будет запущен первый энергетический реактор. Возможно, что этот срок несколько приблизится в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости.

Важное достоинство термоядерной энергетики заключается в том, что ее воздействие на окружающую среду будет значительно меньше, чем от АЭС существующего типа, поскольку не будет необходимости в сооружении заводов по подготовке высокоактивного топлива и переработке радиоактивных отходов. Отпадет необходимость в захоронении продуктов реакции, т.к. конечный продукт некоторых из этих реакций - гелий - совершенно безвреден и будет использован в других отраслях науки и техники. Таким образом, термоядерная энергетика будет представлять пример безотходного производства.

Опасность может представлять радиация, наведенная нейтронами, и утечка трития, излучателя |3-частиц с периодом полураспада 12,3 года. Необходимо изучение в плане биологической опасности магнитных полей высокой плотности, создаваемых для удержания высокотемпературной плазмы. Существенную проблему будет представлять сброс в окружающую среду большого количества теплой воды, образующейся при охлаждении некоторых узлов энергетической установки и теплоносителя. Температура этой воды недостаточно высока для ее использования в хозяйственных целях.

25 апреля 1956 г. И.В. Курчатов выступал в английском атомном центре в Хоруэлле. Английские ученые ожидали, что Курчатов будет выкачивать из них информацию, а вместо этого советский ученый рассказал им самим, что и как следует делать. Он откровенно и открыто рассказывал о работах, которые были строжайше засекречены и в Англии, и в США.

В августе 1956 года - новая советская инициатива: на симпозиуме по космической электродинамике, происходившем в Швеции, о последних советских достижениях в области термоядерного синтеза рассказали во всеуслышание Л.А. Арцимович и И.Н. Головин.

Для использования солнечной энергии придумано немало оригинальных конструкций. Вот, например, «солнечный» душ (4). Приемник расположен наклонно, образуя одну стену помещения. Задняя сторона приемника не утеплена, она обеспечивает нагрев воздуха в душе. Эффективность нагрева повышает откидная ставня, оклеенная алюминиевой фольгой. Закрытая ставня защищает остекление все время, пока душ не нужен.

Сама простая конструкция - это плетень (5). На незатененном участке с метровым интервалом забить колья. На них заплетено до 100 - 150 м обычного резинового черного шланга. Пока вода из бочки движется по шлангу, она нагревается. Тыльную сторону плетня теплоизолируют, например, с помощью глины, замешанной на изрубленной соломе. На зиму шланг придется убирать, кроме того, когда в теплой воде нет нужды, плетень нужно закрывать от солнечных лучей, иначе резина станет жесткой и растрескается. Такой плетень справится с нагревом воды для бассейна, детской ванночки, для полива теплолюбивых растений.

Завершая описание простейших водонагревателей, нужно вспомнить и о трубопроводах. Прежде всего, их следует утеплить, подойдут полосы трехслойного картона, опилки и торф, если трубопроводы заключены в оболочку из досок, фанеры или жести. Прекрасный теплоизолятор -стекловата или шлаковата. В этом случае снаружи наматывают бинт из мешковины, клеенки. Можно использовать и разнообразные обмазки, подобные тем, что используют на теплосетях.

Давление воды в системе очень небольшое, поэтому соединения труб могут быть самыми простыми, Железные или пластмассовые трубы соединяют отрезками резинового шланга, достаточно натянуть его на соединяемые концы. Мягкие трубы удобно соединять короткими кусками жестких, например, дюралевых труб {распилив детали раскладушки). Для поворотов трубопровода хорошо подходит гибкий резиновый шланг. Все переходы от жестких труб к гибким закрепляют бандажами из мягкой проволоки, например, медной.

Литература

Глобальные проблемы современности. - М.: Мысль, 1991.
Гиренок Ф. И. Экология, цивилизация, ноосфера. - М: Просвещение, 2000.
Агесс П. Ключи к экологии. - JI.: Гидрометеоиздат, 1992.
Брике X. - Энергия, №9, 1995.
Сивинцев Ю. В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.
Одум Ю. Основы экологии. - М.: Мысль, 2000.
Риклефс Р. Основы общей экологии. - М.: Мир, 2000.
Михеев А. В. Охрана природы. - М.: Высш. школа, 2000.
Соколов А. А. Вода: проблемы на рубеже XXI века. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989.
Реймере Н. Ф. Природопользование: Словарь-справочник. - М.: Мысль, 2000.

Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды. - М.: Просвещение, 1990.
Кац Ц.Б Биофизика на уроках физики: Кн. для учителя.
Вариаш В. М. Физика в живой природе: Кн. для учителя. -М.: Нар. асвета, 1984.
Рыженков А. П. Физика и экология. - М.: МГПИ им. В.И. Ленина, 1989.
Козлов В.Б. Энергетика и природа. - М.: Мысль, 1973.
Володин В.В. Энергия, век двадцать первый. - М.: Детская литература, 2001.
Ядерная энергетика, человек и окружающая среда. - М.: Мысль, 2001.
Пути решения задач экологического образования и воспитания в современной школе (методические рекомендации). -Л,: АПН СССР, 1990.
Образование в области окружающей среды: Пленарные доклады участников 111 Всесоюзной конференции. - Казань, 1990.

Червенецкий В.В. Экологическое образование в школах развитых стран мира. -* М.: Центр «Экология и образование», 1992.
Рыженков Л.П. -Физика в школе, № 1, 1996.

Маркушев Б.А. Задачи с природоохранительным содержанием. - Физика в школе, №5, 1984.
Турдикулов Э.Э. Роль межпредметных связей при формировании экологических знаний. - Физика в школе, № 5, 1995.
Бураев А.И. Экологическое воспитание при изучении звуковых колебаний. -Физика в школе, № 3, 1997.
Уразалиев А.П. Экологическая конференция. - Физика в школе. № 1, 1998.
Каримов Ю.В. Ознакомление учащихся с воздухоочистными установками. -Физика в школе, № 5, 1998.

27. Рыженков А.П. Физика. Человек. Окружающая среда. Прил. к учебнику
физики для 7 кл. общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 1996.

Шолохович В. Ф. Основы экологаи и природопользования: Компьют. курс: Учебн. пособие для 9-11 кл. общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 2000.
Величковский Б.Т. Окружающая среда. Учебное пособие для учащихся 9 классов. - М.: НПЦ «Экология и образование», 2002.
Атлас экологии планеты Земля. Учебное пособие для школ. Под редакцией Н.В. Леонтьевой. - Волгоград: Книга, Международный центр просвещения «Вайленд - Волгоград», 2000.
Экономика природопользования - М.: Московский университет, 1991.
Максаковский В.П. Экономическая и социальная география мира. 10 класс. Учебник для образовательной школы. - М.: Просвещение, 2002. »
Реймес Н.Ф. I [рнродопользование: Словарь - справочник. - М.: Мысль, 1990.
Проценко A.M. Энергия будущего - М.: Молодая гвардия, 2000.
Меркин Б.М. Наумова Л.Г. Экология России. Учебник для 9 - 11-х классов общеобразовательной школы. - М.: АО МДС, Юнисом, 2002.
Алексеев СВ. Экология: Учебное пособие для учащихся. 10-11 классы общеобразовательного учреждения разных видов. -С.-Пб.: СМИО Пресс, 2002. б) Учебные пособия «Сохраним наш мир».

1. Тревоги пятого океана: Учебное пособие для школ. Пер. с английского, перераб. и допол. Под ред. А.Агеева. - Волгоград: Книга, Международный Центр просвещения «Вайленд - Волгоград», 2000.