Лабораторный практикум по естествознанию

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Московский педагогический государственный университет»



Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина


ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

Учебное пособие












МПГУ
Москва • 2019

УДК 168.521(076.5)
ББК 20я7
     П 305






Рецензенты:
А. А. Фадеева, доктор педагогических наук, профессор, ведущий сотрудник Центра естественно-научного образования Института стратегии развития образования РАО
Г. М. Чулкова, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры общей и экспериментальной физики ИФТИС МПГУ












      Петрова, Елена Борисовна.
         Лабораторный практикум по естествознанию : учебное П 305 пособие / Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина. - Москва : МПГУ, 2019. -156 с.
         ISBN 978-5-4263-0736-0
         Пособие содержит методические разработки по выполнению лабораторных работ естественно-научного содержания, сгруппированные по тематике. Каждая лабораторная работа сопровождается списком дополнительной литературы для возможности ее углубленного изучения.
         Адресовано учителям, учащимся школы, преподавателям педвузов, студентам, а также преподавателям и слушателям курсов переподготовки учителей. Может быть использовано для самообразования учителей естественно-научных дисциплин.
УДК 168.521(076.5)
                                                    ББК 20я7



ISBN 978-5-4263-0736-0

            © МПГУ, 2019
© Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина, текст, 2019

СОДЕРЖАНИЕ



Предисловие ..................................... 4
Часть I. Изучение частных методов исследования ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
  Лабораторная работа № 1
  Исследование солнечной активности ..............6
  Лабораторная работа № 2
  Измерение магнитного поля Земли ................28
  Лабораторная работа № 3
  Исследование свойств горных пород ..............40
  Лабораторная работа № 4
  Оценка состояния окружающей среды
  МЕТОДОМ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ.............. 52
  Лабораторная работа № 5
  Знакомство с методами дендрохронологии ....... 58
Часть II. Изучение универсальных методов ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
  Лабораторная работа № 6
  Исследование модели полярного сияния ...........71
  Лабораторная работа № 7
  Исследование модели катаракты ..................81
  Лабораторная работа № 8
  Использование дифракционных методов для измерения РАЗМЕРОВ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ .................. 88
Часть III. Практические приложения методов ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
  Лабораторная работа № 9
  Знакомство с естественно-НАУЧНЫМИ методами оценки
  СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ................... 98
  Лабораторная работа № 10
  Освоение методов визуализации объектов, НЕВИДИМЫХ ГЛАЗУ ЧЕЛОВЕКА .................... 109
  Лабораторная работа № 11
  Исследование цветовоспринимающей системы ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА .............................. 114
Часть IV. Методические рекомендации к проведению ПРАКТИКУМА ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ
  Место практикума в подготовке будущих учителей ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ .............................. 123

Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

  Структура и содержание лабораторного практикума ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ .................................129
  Организация деятельности студентов в лабораторном ПРАКТИКУМЕ ........................................140
  Рекомендации по адаптации лабораторных работ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В ШКОЛЕ ...........................144
  Литература ........................................153

ПРЕДИСЛОВИЕ
   В описанном ниже практикуме приведен вариант проведения естественно-научных экспериментов в форме лабораторных работ. Идеи этих же экспериментов могут быть использованы для разработки проектных и исследовательских работ, так как позволяют изменить и усложнить задачи для учащихся с учетом уровня их подготовки и индивидуальных познавательных потребностей.
   Для более глубокого изучения исследуемых проблем в каждой лабораторной работе приведен список вспомогательной литературы.
   Список литературы, данный в конце пособия, предназначен для учителей. Он содержит публикации сотрудников кафедры естественных наук и инновационных технологий МПГУ (ранее, кафедра физики для естественных факультетов), в том числе и авторов практикума, в которых изложены разрабатываемые этим творческим коллективом концепция построения курса естествознания, основные методические идеи преподавания дисциплины в старших классах школы, оригинальные приемы организации занятий со студентами.
   Часть этих работ посвящена подготовке учителей естествознания в рамках магистерской программы «Современное естествознание». В этих работах приведены примеры интегративных дисциплин, читаемых студентам магистратуры. Они могут стать основой или подсказкой учителям при создании дисциплин по выбору или факультативных курсов межпредметного характера.
   Кроме того, в некоторых из этих публикаций можно ознакомиться с методикой проведения естественно-научного эксперимента в рамках лабораторного практикума и проектной деятельности.
   В последней части книги приведены методические рекомендации по проведению практикума со студентами, описаны оригинальные приемы работы, предложенные сотрудниками кафедры. Также даны рекомендации по адаптации работ практикума для учебных целей: описаны умения, которые можно сформировать у учащихся, по каждой теме подобрана литература для учащихся и учителей.
   Мы надеемся, что эта книга окажется полезной для преподавателей вуза, учителей и студентов.
   Если у читателей в процессе работы с пособием возникнут вопросы или замечания, то мы готовы обсудить их.
   Со всеми вопросами, замечаниями и предложениями следует обращаться к сотрудникам кафедры естественных наук и инновационных технологий ИФТИС МПГУ по электронной почте: eb.petrova@mpgu.su.

5

ЧАСТЬ I


ИЗУЧЕНИЕ ЧАСТНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК



Лабораторная работа № 1



Исследование солнечной активности

   Цель работы: познакомиться с основными понятиями, связанными с солнечной активностью, получить в реальном времени снимки поверхности Солнца с сайта SOHO, рассчитать числа Вольфа, характеристики активных образований на Солнце.
   Оборудование: ПК, Интернет.
   Литература и другие источники информации:
   1.   Северный А. Б. Гелиосейсмология // Земля и Вселенная. 1983. № 3. С. 9-14.
   2.   Воронцов С. В. Сейсмология Солнца // Земля и Вселенная. 1992. № 2. С. 3-8.
   3.   Владимирский Б. М. Солнечная активность и общественная жизнь. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013.
   4.   Владимирский Б. М., Темурьянц Н. А., Мартынюк В. С. Космическая погода и наша жизнь. Фрязино: «Век 2», 2004.
   5.  http://www.kosmofizika.ru/ucheba/sun_act.htm
   6.  http://soho.nascom.nasa.gov/
   7.  lasco-www.nrl.navy.mil
   8.  priroda.inc.ru/pogoda/solnze.html
   9.  gao.spb.ru/english/database/sd/index.htm
 10.   astroalert.su/glossary/sunspotnumber/


Введение

   Солнце - это звезда, которая относится к типу G2V по основной спектральной классификации («желтый карлик»). Эти звезды характеризуются видимым желтым цветом, а тем

6

               Часть I. Изучение частных методов исследования естественных наук пература их поверхности варьируется в диапазоне от 5000 до 6000 К.
   В настоящее время наука не располагает способами проведения непосредственных измерений в крайне горячих недрах Солнца. Поэтому все сведения о них остаются косвенными, так как связаны с моделями внутреннего строения Солнца. Сейчас большинство исследователей опирается в своем поиске на «стандартную модель Солнца», сформировавшуюся в середине XX в. В ее основе лежит представление о Солнце как о сферически симметричном теле с известным составом, светимостью, массой и радиусом, в центре которого идут постоянные термоядерные реакции с большим выделением энергии. Предполагается, что внутренние слои, где перенос энергии осуществляется в основном излучением фотонов, находятся в гидростатическом равновесии, а во внешних слоях происходит конвективное перемешивание на определенной постоянной глубине. Согласно этой модели, удаленность Солнца от Земли в среднем составляет 149,6 млн км; масса 1,9891 • 10³⁰ кг, что составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы; средний диаметр 1,392 • 10 ⁹ м (109 диаметров Земли); температура поверхности 5780 К, а в центре она выше 15 • 10 ⁶ К. Средняя плотность солнечного вещества равна 1,4 г/см ³. Плотность увеличивается к центру примерно до 160 г/см ³. Около 3/4 всей массы Солнца приходится на водород, порядка 1/4 - на гелий. Остальные элементы в отдельности составляют лишь малые доли процента. Модель постоянно совершенствуется. Однако вопрос о точности стандартной модели не так прост и является дискуссионным.
   Используя стандартную модель, можно вычислить распределение основных физических параметров, таких, как температура, плотность, давление, а по ним определить темп ядерных превращений.
   Значение Солнца для жителей Земли огромно, поэтому его изучением люди занимались с давних пор. Так, например, Галилео Галилей наблюдал пятна и их движение на его поверхности (1612).
   Он обнаружил группы пятен и изменения в них, доказал, что тени пятен ярче светлых мест на Луне и сделал следующие выводы:
    1)    пятна принадлежат Солнцу и возникают вблизи экватора (1610);
    2)    период вращения Солнца почти месяц (1611).

7

Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

Рис. 1.1. Страницы из работ Галилея (воспроизводится по http:// osiktakan.ru/astr_sun/galiley_sunspot.html)

   Активность Солнца характеризуется различными факторами. Прежде всего, это возникновение пятен, а также солнечных вспышек, протуберанцев и корональных дыр.
   Пятна на поверхности Солнца выглядят как области более темные по сравнению с окружающими участками фотосферы, что свидетельствует об их более низкой температуре (примерно на 1500 К) (рис. 1.2). Кроме того, эти области характеризуются

сильным магнитным полем, которое подавляет конвективные течения вещества, переносящие энергию из внутренних областей звезды на ее поверхность. В результате этого газ в центре пятна остывает и его температура составляет всего 4000 К-5000 К.

Рис. 1.2. Вид фотосферы (воспроизводится по https://ontrava.com/guneste-fark-edilen-siyah-bir-leke-nasa-yi-korkuttu/amp)

Рис. 1.3. Пятна на поверхности Солнца (воспроизводится по https://ontrava. com/guneste-fark-edilen-siyah-bir-leke-nasa-yi-korkuttu/amp)

8

Часть I. Изучение частных методов исследования естественных наук

   Солнечную активность количественно принято характеризовать числами Вольфа, при расчете которых учитывается число групп пятен д и число всех пятен f, включая в группы и одиночные пятна. Число Вольфа вычисляется следующим образом: W = 10 +f.
   Например, если число групп пятен (рис. 1.3) д=3 и число пятен N = 8, то число Вольфа W = 10 • 3 +8 =38.
   Однако значение числа Вольфа не всегда оказывается таким небольшим. Иногда оно может достигать значений сотен единиц, а среднее количество солнечных групп может превышать десять. Такие значения числа Вольфа соответствуют эпохе максимума пятнообразовательной деятельности Солнца и максимальной солнечной активности. Так, например, в июле 2000 г среднемесячный показатель числа Вольфа достиг аномальных величин, превысив 300 единиц. Последствием такой активности Солнца явилось наблюдение полярного сияния в ночь с 15 на 16 июля 2000 г. в Москве и Подмосковье, что является редкостью для данных широт (широта 56o).
   Интересной характеристикой пятен является их угловой размер. Так если угловой размер солнечного пятна составляет 17 ", то его линейные размеры около 12363 км (это близко к диаметру Земли).
   При оценке размера пятен следует учитывать тот факт, что поверхность Солнца сферическая. Поэтому видимая форма пятен на его плоской фотографии искажена, и искажения тем больше, чем ближе расположены пятна к краю диска. Истинное значение размера пятна вдоль радиуса d₁ можно выразить через его наблюдаемое значение d₀ с помощью формулы:
                                R
а₁ — Uq • —, г

где R - радиус диска Солнца на фотографии, r - расстояние от центра пятна до центра Солнца на фотографии. В направлении, перпендикулярном радиусу, истинная длина пятна l₁ связана с его наблюдаемой длиной l₀ с помощью формулы:

. = I • —.
h ‘о
                                г


9

Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

  Эти формулы можно применить для оценки размеров области, занимаемой группой из N пятен. Площадь пятна или овальной области, охватывающей группу пятен, примерно равна


        _л • d}-l}

S‘-------4


   Реальная площадь S₂ пятна (группы пятен) находится по формуле
_ -6,9551 IO⁸
,~ тг-Ю’³ ,


если радиус диска Солнца на фотографии R измерен в мм.
  Чтобы определить координаты пятна, на фотографию Солнца накладывается диск Стонихарста с 10° интервалами по ширине и долготе предназначенный для определения истинных географических координат солнечных пятен (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Фотогелиограмма, на которую наложен диск Стонихар-ста с 10° интервалами по ширине и долготе (использовано фото с http://www.hypernova.ru/zvezd/observer/figure/30146/7)

   Солнце как и Земля, вращается вокруг своей оси, и для него принята своя координатная сетка с широтой, отсчитываемой

10

Часть I. Изучение частных методов исследования естественных наук

от экватора (0-90°), и долготой, отсчитываемой от некоторой условной точки (0-360°) с востока на запад.
   Координата пятна (группы пятен) ki в i-й день отсчитывается на фотогелиограмме от вертикальной оси NN до левого нижнего края пятна (области, охватывающей группу пятен) вдоль параллели в мм. Смещение пятна за день определяется по формуле




                н*,.-*,1⁶’⁹⁵⁵¹ ¹Л




¹,¹   !| /МО’³

   Скорость перемещения пятна = к (км/день).
   В начале 1970-х гг. американский астронавт Э. Гибсон, который готовился к полету на орбитальной космической лаборатории SkyLab в качестве астронома-наблюдателя Солнца, написал книгу «Спокойное Солнце». В этой книге в доходчивой форме он изложил основные представления по физике Солнца. «Спокойное Солнце» - идеализированный объект, служащий отправной точкой для изучения всех солнечных явлений. Наиболее важным результатом, полученным тогда при наблюдении рентгеновских изображений Солнца из космоса, стали новое открытие известного ранее явления - «корональных дыр» (темные участки в короне) и отождествление их с источниками квазистационарных потоков высокоскоростного солнечного ветра. Сейчас уже известно, что солнечная корона очень неоднородна, нестационарна, термодинамически и механически неравновесна. В ней всегда есть механические движения и электрические токи - источники свободной энергии для ее разогрева до наблюдаемых температур - порядка 10 ⁶ К. По той же причине внешние, горячие участки солнечной короны не удерживаются силой тяготения, а постоянно удаляются от светила со сверхзвуковой скоростью - образуется солнечный ветер, направленный от Солнца наружу. Участки солнечной короны с открытой геометрией магнитного поля - корональ-ные дыры - слабо светятся в рентгеновских лучах из-за низкой плотности плазмы в них, но отдают свою энергию наружу в основном в виде потоков солнечного ветра. Участки же короны с замкнутыми (петельными и арочными) структурами поля удерживают в себе более плотную плазму. Энергия здесь

11

Е. Б. Петрова, М. В. Солодихина. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

отводится вниз в виде тепловых потоков и вверх - в виде электромагнитного излучения в крайнем ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Иногда из-за перегрева или магнитогидродинамической неустойчивости вещество во время корональных выбросов массы вырывается наружу с огромными скоростями - до 1 тыс. км/с и более. Импульсные и быстрые вспышки (в течение минут) обычно происходят в более плотных слоях атмосферы, а длительные (часами) корональные выбросы массы - выше, где плазмы меньше.
   Для изучения Солнца создаются специальные обсерватории, которые предназначены для изучения солнечного ветра, внешних слоев и внутренней структуры Солнца. В настоящее время одной из самых важных солнечных обсерваторий является Солнечная и Гелиосферическая обсерватория (SOHO). Приборы, входящие в ее измерительный комплекс, позволяют отображать структуры солнечных пятен под поверхностью, измерять ускорение солнечного ветра, находить коронарные волны и солнечные торнадо, обнаруживать кометы.



ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ SOHO И ОБОРУДОВАНИЕ

   1. Проект SOHO
   SOHO (Solar & Heliospheric Observatory) (рис. 1.5) - это уникальный международный проект европейского космического агентства ESA и американской NASA, который был запущен 2 декабря 1995 г. и предполагал возможность всестороннего изучения Солнца за пределами земной атмосферы, т. е. в космосе. Поскольку эта обсерватория находится за пределами земной атмосферы, то она позволяет проводить наблюдения недр звезды, процессов, происходящих в высших слоях атмосферы, изучение солнечного ветра и многих других процессов и явлений на Солнце, которых нельзя наблюдать с земных телескопов.
   14 февраля 1996 г. SOHO выведена на галоорбиту (вращение около определенного места в пространстве) вокруг точки Лагранжа L1. Эта точка находится примерно в 1,5 млн км от Земли в сторону Солнца и характеризуется тем, что силы земного и сол

12