Зав. УМК физики Фабрикантова Е. В.  
Дата: 14.12.2000 г.

ВОСПИТАНИЕ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ

В современном мире появилось множество новых потенциальных источников опасности, требующих от человека достаточно развитой функциональной грамотности. На­пример, радиационная безопасность, экологически грамотное поведение требуют определенной культуры адекватного поведения, нормы которой в значительной мере определяются научным зна­нием. Особое значение в этой свя­зи имеет экологическое воспита­ние. Здесь следует иметь в виду, что экологическое воспитание не может осуществляться в рамках специального предмета. Все, что относится к воспитанию, можно тактично предлагать, но нельзя на­вязывать, в противном случае ре­зультаты будут прямо противоположны желаемым. Введите самые лучшие курсы экологии, этики, граждановедения и т.п. с учебниками, оценками, тестами и контрольными работами, и самые высокие мысли будут низведены на уровень обыденности, а в учениках воспитаете лицемерие или негативную установку (в самом лучшем случае - равнодушие). Вопросы воспитания решаются тогда, когда жизнь ребенка ими пронизана. Хороший пример, вовремя рассказанный, может дать больше, чем десяток специально по­священных уроков. Экологическое воспитание, как и другие формы воспитания, должно осуществляться на всех уроках. В этом смысле физика может дать ничуть не меньше, чем любой другой предмет. И ни в коем случае нельзя вводить “воспитательные” предметы за счет ес­тественных наук, вооружающих де­тей конкретными знаниями о при­роде. 

А что касается нравственного воспитания, то в истории науки не меньше возможностей для этого, чем, положим, в литературе или в истории. Например, умелое включение в урок ярких биографических фактов и сведений из жизни замечательных тружеников науки - от Галилея и Кеплера до Эйнштейна и Вавилова - позволит раскрыть огромные воспитательные возможности, кроющиеся в учебном предмете “физика”, которые в на­стоящее время очень плохо используются. 

В современном обществе игнорируются не только правовые, этические, но и экологические последствия бесхозяйственности, варварского разбазаривания сырья, злоупотребления отсталыми технологиями. Утрата современным обществом духовно-нравственных ориентиров в пользу неограниченного потребления материальных благ привело к возникновению и дальнейшему обострению глобальных проблем человечества. Необходимость решения этих проблем диктует новые требования к гражданину XXI века, его воспитанию, образованию, мировоззрению, практическим действиям, взаимоотношению с обществом, природой, техникой и технологией производства. 

Невежество, беспечность, безответственность при современном уровне развития производительных сил могут принести большой вред, поэтому одной  из задач воспитания на данный момент является развитие гражданской и социальной ответственности за будущее не только своей страны, но и человечества в целом. Гражданская ответственность личности, на наш взгляд, заключается в умении выбрать линию поведения, отвечающую требованиям общества, исходя из предвидения возможных социальных последствий того или иного поступка. Эта ответственность проявляется прежде всего в активной творческой жизненной позиции: в частности, способности принимать в своей производственной деятельности технические и организационные решения и реализовывать их.

Юноши и девушки, вступающие в жизнь, должны решить массу важных и сложных для человека проблем и среди них такую, как выбор новых путей развития общества, следовательно, второй важной задачей воспитания на сегодняшний день является развитие самостоятельности. 

Знакомясь с исследованиями педагогов по проблеме формирования гражданственности у учащихся, мы пришли к выводу, что речь идет либо о воспитании гражданина, осуществляемое в процессе внеучебной деятельности, либо о воспитании гражданина, осуществляемое в процессе преподавания спецкурсов, в основном, преподавателями общественных дисциплин. Между тем, воспитание – это целостный процесс, и нельзя воспитать хорошего гражданина при эпизодическом воздействии на личность воспитуемого. В любом предмете заложен огромный потенциал, способствующий формированию гражданина, и физика - не является исключением.

Воспитание - понятие сложное. Прежде всего, содержание и направление воспитания личности тесно связано с эпохой, в которой она живет.

 Воспитание рассматривается как процесс целенаправленного, систематического формирования личности; как деятельность по передаче новым поколениям общественно-исторического опыта; как воздействие общества на развивающегося человека; как социальное целенаправленное создание условий (материальных, духовных, организационных) для развития человека.

Воспитание в широком социальном смысле - подготовка и включение новых поколений в воспроизводство и развитие жизни, культуры (т. е. воспитание отождествляется с социолизацией). Некоторые педагоги склонны считать действительным воспитанием только свои целенаправленные и квалифицированные воздействия на воспитуемых, т.е. воспитание в узком смысле - “воспитывание”. Но это лишь одна сторона педагогического воздействия, второй стороной которого является активность самого воспитанника, выступающего не только объектом, но и субъектом своего становления и развития.

В профессиональном смысле специалистов-педагогов воспитание определяется как целенаправленный, непрерывный, противоречивый, систематический и сознательно организуемый процесс взаимосвязанной деятельности воспитателя и воспитуемого, в ходе которого происходит формирование системы определенных качеств личности, ее взглядов и убеждений (11, с. 13-14). 

Современные трактовки сущности воспитания разнообразны. Общая направленность развития историко-педагогического толкования категории “воспитание” характеризуется тем, что от взгляда на этот процесс как внешнее воздействие на ребенка педагогика последовательно переходит к пониманию его как двухстороннего. Сегодня воспитание может и должно быть понято не как однонаправленная передача опыта и оценочных суждений от старшего поколения к младшему, но как взаимодействие и сотрудничество взрослых и детей в сфере их совместного бытия.

Традиционно вокруг категории “воспитание” выстраивается два смысловых ряда – воспитание как развитие, формирование, социализация и воспитание как образование и обучение.

Развитие – это своеобразное количественное “приращение” того или иного качества. Нельзя развивать то, чего пока нет внутри, но иногда можно сформировать, то есть привнести нечто желаемое извне. Социализация предстает как одна из линий воспитания, обеспечивающая адаптацию человека к существующему “здесь и сейчас” социальному контексту.

В историческом отношении образование значительно “моложе” воспитания. Однако на социальном уровне рассмотрение воспитания наряду с обучением может быть помещено в контексте понятия “образование”. При этом обучение будет рассматриваться как некая “информационная пища”, а воспитание - как гарант того, что полученная информация используется человеком во благо. “Обучение и воспитание суть стороны единого процесса образования. Обучение предполагает усвоение знаний, умений, навыков… Воспитание предполагает усвоение ценностей, что ведет к формированию личностного, субъективного смысла…того, что усваивается в ходе образования. В то же время любое усвоение ценностей…невозможно без обучения” (1, с.5).

Воспитание, как всякая система, имеет свою структуру: цели, задачи, содержание, средства, методы, процесс протекания и его результаты. Остановимся подробнее на одном из средств воспитания.

Сюжетно-ролевая игра как средство воспитания

Эффективным средством воспитания является сюжетно-ролевая игра. Мы исходим из того, что:

1.  Средства воспитания определяются как разнообразные виды деятельности формирующейся личности (8, 9, 12, 14). Поскольку игра вид (форма) деятельности, то ее, несомненно, можно отнести к средствам воспитания.

2.  Личность старшеклассника не только цель и объект системы воспитания юного гражданина, но и ее активный субъект, без влияния которого она не может достичь цели. Игра – форма деятельности, в которой ребенок проявляет наибольшую активность, следовательно, игра является эффективным средством воспитания гражданина. 

3.  Игра - выход на социальный опыт, повторение социальной практики. Специальными исследованиями установлено, что первые потребности ребенка социальны. Значит, игра социальна по своей природе и спроецирована на отражение мира взрослых. С помощью игры дети входят в общественные отношения, среди которых живут. По мнению С.А.Шмакова, потеря многих социальных черт у ребят происходит из-за того, что они в детстве не доиграли. (18, с.149). Педагоги и психологи выявили, что игра, отданная во власть стихии, может исказить социализацию личности. Поэтому игра требует постоянного и пристального внимания со стороны педагогов.

4.  Игра как отраженная модель поведения, проявления и развития сложных самоорганизующихся систем включает в себя альтернативные сценарии разных процессов жизни. В игре формируется программа многообразных социальных способов поведения.

5.  Игра - главная сфера общения детей; в ней решаются проблемы межличностных отношений, совместимости, партнерства. По мнению С.А.Шмакова в игровой деятельности детей существуют абсолютно реальные общественные отношения, складывающиеся между играющими (18, с.67). Игры дают возможность моделировать разные ситуации жизни, искать выход из конфликтов, не прибегая к агрессивности, учат разнообразию эмоций в восприятии всего существующего в жизни, в огромной гамме чувствования.

6.  Игра - занятие, в процессе которого, воспитательные требования взрослых к детям становятся их требованиями к самим себе, а значит, игра - активное средство воспитания и самовоспитания.

7.  Игры влияют на различные черты характера (организованность, ответственность, справедливость, самостоятельность и другие). В ходе игры осуществляется корректировка и регуляция поведения учащихся правилами игры, другими игроками.

8.  Игры детей есть самая свободная, естественная форма проявления их деятельности, в которой осознается, изучается окружающий мир, отражается простор для проявления своего “Я”, личного творчества, активности, самопознания, самовыражения.

9.  В игре ребенок усваивает нормы и ценности общества. Педагогически направленная игра в сущности является школой морали.

10.  Игра есть потребность человека: его психики, интеллекта, биологического фонда. По мнению Ф.Шиллера, человек “играет только тогда, когда он в полном значении слова человек, и он бывает вполне человеком лишь тогда, когда играет” (17, с.302). На биологическую значимость игры указывает Д. М. Ибрагимова (5). Она отмечает, что игра возникла в онтогенезе живых организмов как ответная реакция, как само условие жизни. Для человека игра выходит за рамки собственно биологического значения, она становится условием его многочисленных форм деятельности в социуме. Этап игрового детства является обязательным для каждого человеческого индивида. В этот период игра выступает как ведущая деятельность. Биологическая игра постепенно наполняется собственно человеческим, социологическим и философским содержанием. По мере взросления игра не вытесняется иными образованиями. Она лишь меняет форму, одновременно меняя содержание. Детство без игры и вне игры анормально и аморально. Лишение ребенка игровой практики – это лишение его не просто детскости, это лишение его главного источника развития: импульсов творчества, одухотворения осваиваемого опыта жизни, признаков и примет социальной практики, богатства и микроклимата коллективных отношений, индивидуального самопогружения, активизации процесса познания мира и т. п. (18, с. 6.)

11.  В игре правила действий не заучиваются, не конструируются, а непосредственно усваиваются подобно языку и традиции.

12.  Никитин А. Ф., Соколов Я. В. отмечают, что возрастные особенности детей диктуют характер отбора содержания социального опыта. В содержание “входит прежде всего то, что может быть вообще усвоено детьми, и то, что обязательно должно быть ими усвоено. Весь процесс передачи опыта ориентируется на естественные интересы детей. Значит, все, что заведомо не может быть усвоено, должно уйти из учебно-воспитательного процесса. То, что непременно должно быть усвоено, облекается в особые формы, предусматривающие эмоциональную насыщенность самого процесса освоения социального опыта” (10, с. 49).

Экспериментальные данные свидетельствуют, что после проведения комплекса сюжетно-ролевых игр у учащихся экспериментальной группы зафиксированы:

а) изменения в иерархии ценностей;

б) рост самостоятельности;

в) преобладание в экспериментальной группе среднего и высокого уровней ответственности, в то время как в контрольных группах преобладают низкий и средний уровни.

Как уже отмечалось выше, самостоятельность и ответственность - неотъемлемые черты гражданина. Следовательно, сюжетно-ролевую игру можно рассматривать как эффективное средство воспитания гражданственности. Сюжетно-ролевая игра также является и средством нравственного воспитания, т. к. происходят изменения в иерархии ценностей.

Сюжетно-ролевые игры на уроках физики целесообразно применять только в старших класса, т. к. это наиболее сложный вид игр. Применение таких игр на уроках требует серьезной предварительной подготовки учителя и учащихся.

Можно порекомендовать следующие сюжеты для игр:

10 класс

1.  Тема “Основы термодинамики” – пресс-конференция “Тепловые двигатели и окружающая среда”. “Журналисты” задают вопросы “инженерам”, “экологам”, “энергетикам”, “врачам”.

2.  Темы “Кристаллические и аморфные тела”, “Электрический ток в различных средах” - квартальный отчет в НИИ. В НИИ происходит квартальный отчет сотрудников с последующим награждением лучшей лаборатории. Для проведения игры класс разбивается на несколько “лабораторий” (например, лаборатория металлов, полупроводников, вакуума и т. д.)

11 класс

1.  Тема “Производство электроэнергии” - защита проекта электростанции. Класс разбивается на группы по 2 человека. Каждая группа выбирает какой-нибудь из видов электростанций. Один член группы представляет свой “проект электростанции”, подчеркивая достоинства своего проекта, другой – пытается этот проект завалить, указывая на его недостатки. Также в классе формируется группа учащихся, которая “играет” роль комиссии. “Комиссия”, заслушав выступления, выносит решение: какой проект является наилучшим, исходя из экономических и экологических соображений.

2.  Тема “Атом и атомное ядро” - пресс-конференции “Применение радиоактивных изотопов”, “Ядерная энергетика”; суд над физиками-ядерщиками.

Сюжет одной из этих игр можно посмотреть в приложении (в конце файла).

 Использование биографического материала на уроках физики.
 
 
...моральные качества выдающейся личности имеют, возможно, большее значение для данного поколения и всего хода истории, чем чисто интеллектуальные достижения.
А.Эйнштейн.
 
 
Иногда приходится слышать, что ученые-физики виноваты в событиях происшедших в августе 1945 г., что, вообще, наука приносит вред человечеству. Такие представления неверны : не ученые, а само общество обращает достижения науки во вред. Поэтому следует рассказывать учащимся, что большинство выдающихся физиков были страстными борцами за мир и свободу человечества, выражали протест против использования достижений науки во вред человечеству. Пожалуй, только Лиза Мейтнер без особого смятения чувств признавалась, что ей принадлежит не последняя роль в американских и английских ядерных исследованиях, приведших к созданию атомного оружия. Ее коллега Отто Ган иначе реагировал на ужасы Хиросимы и Нагасаки. “Я не имею к этому никакого отношения!” - воскликнул он в ответ на сообщение об атомных бомбардировках. А. Эйнштейн выразил не только свое мнение, но и мнение тысяч других больших и малых физиков, участвовавших в создании атомного оружия, когда заявил: “Если бы я знал, что немцы не работают над атомным оружием, я ничего не стал бы предпринимать для создания бомбы”(2).
Ярким примером может послужить биографический материал о Ф. Жолио-Кюри.
Фредерик Жолио-Кюри в 1937 г. организовал лабораторию ядерной химии. Исследовал процессы, протекающие в уране под влиянием действия нейтронов; обнаружил возможности получения очень больших энергий ядерного происхождения. Совместно с Перреном разработал и запатентовал проект конструкции первого ядерного реактора, постройке которого помешала II мировая война. Во время оккупации Жолио был арестован гитлеровцами за то, что скрыл от них весь запас тяжелой воды, которая была необходима для атомного реактора. Он не выдал название судна, на котором тяжелая вода была вывезена в Канаду.
В 1949 г. Жолио-Кюри вступает в члены французской организации Сторонников Мира, а затем избирается председателем Всемирного Совета Мира.

И в заключение можно привести высказывание Ф. Жолио-Кюри: “Нельзя допустить, чтобы люди направляли на свое собственное уничтожение те силы природы, которые они сумели открыть и покорить”.

Полезно также зачитать учащимся Майнауское заявление лауреатов Нобелевской премии, где они призывают отказаться от применения любого оружия, порожденного наукой и техникой (и прежде всего ядерного), а также отказаться от применения вообще любой силы как крайнего средства в политике (2, с.35).

Полезно также ознакомить учащихся с заявлением третьей Пагуошской конференции, где говорится об ответственности науки и содержится призыв к созданию длительного и прочного мира(2, с 353).

Оба эти заявления перекликаются с высказыванием М. Борна (который, кстати, поставил свои подписи как под Майнауским, так и под Пагуошским заявлениями): Мы хотим, чтобы наша прекрасная наука вновь служила исключительно благу людей и не употреблялась во зло ради отжившей свой век политики”.

Ознакомление с подобными материалами - один из путей нравственного воспитания учащихся. В то же время, эти сведения ценны тем, что они помогают снять несправедливое обвинение в том, что ученые, создав средства массового уничтожения, привели человечество на грань катастрофы.

Знакомясь с биографиями ученых, учащиеся должны усвоить, что наука требует не только больших знаний и увлеченности от исследователя, но и огромного трудолюбия, упорства в достижении цели, мужества. Это также способствует нравственному воспитанию учащихся.

Ярким примером служит биографический материал о М. и П. Кюри.

Биографический материал может стать надежным средством преодоления односторонности образования. С этой целью важно при знакомстве учащихся с краткими сведениями об ученых отмечать широту их увлечений.

Например, А. Эйнштейн страстно любил музыку. Игра на скрипке доставляла ему истинное наслаждение. М. Планк был блестящим пианистом. Планк был очень дружен с Эйнштейном, и часто вечерами в импровизированных концертах они выступали вдвоем: Планк играл на фортепьяно, Эйнштейн на скрипке. Планк увлекался также альпинизмом, покорил многие труднодоступные вершины Альп.

Н. Бор в молодости был известным спортсменом-футболистом, играл в клубных командах Дании.

Я. И. Френкель великолепно рисовал и играл на скрипке. В портретах, им написанных, он запечатлел образы своих современников (4).

 

Библиография.

1.  Бим-Бад Б. М., Петровский А.М. Образование в контексте социализации // Педагогика, 1996, № 1.

2.  Гернек Ф. Пионеры атомного века. - М.: Прогресс, 1974. - 372 с.

3.  Голованов Я. К. Этюды об ученых. – М.: Молодая гвардия, 1970. – 288 с.

4.  Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1986. – 255 с.

5.  Ибрагимова Д. М. Игровые явления в педагогическом пространстве//Проблемы обучения и воспитания молодежи. Тезисы докладов молодых исследователей-педагогов, докторантов, аспирантов и соискателей/БГПИ. - Вып. IX. - Уфа. - 1998. - С. 52-53.

6.  Кирьякова А. В. Ориентация школьников на социально значимые ценности /теория и диагностика/. Учебное пособие к спецкурсу. - Л., 1991.

7.  Кошманов В. В. Георг Ом: Пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1980. - 112 с.

8.  Кулюткин Ю. Н., Сальникова Н. Е. Игровые ситуации в процессе обучения студентов педвуза // Педагогические проблемы и способы их решения учителем. – Л., 1979. – 76 с.

9.  Кулюткин Ю. Н., Сухобская Г. С. Моделирование педагогических ситуаций. – М., 1981. – 120 с.

10.  Никитин А. Ф., Соколов Я. В. Изменение подходов к гражданскому воспитанию//Воспитание гражданина в советской школе. – М.: Педагогика, 1990. – С. 44-60.

11.  Образ и логика в изложении курса “Педагогические теории, системы и технологии”: Пособие для студентов педвузов / В. А. Беликов - Магнитогорск: МаГУ, 2000. - 67 с.

12.  Основы вузовской педагогики. – Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1972. – 314с.

13.  Психология. Словарь / Под общ. ред. А. В. Петровского, М. Г. Ярошевского. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Политиздат, 1990. - 494 с.

14.  Сластенин В. А. Профессиональная готовность учителя к воспитательной работе: содержание, структура, функционирование // Профессиональная подготовка учителя в системе высшего образования. – М., 1982. – с.14-29).

15.  Урок физики в современной школе: Творческий поиск учителей: Кн. для учителя/Сост. Э. М. Браверман; Под ред. В. Г. Разумовского. –М.:

16.  Хрестоматия по физике: Учеб. Пос. для учащихся 8-10 кл. сред. шк. / Сост. А. С. Енохович и др. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1987. – 288 с.

17.  Шиллер Ф. Письма об эстетическом воспитании// Собр.соч.: В 7 т. Т.6.-М., 1957.

18.  Шмаков С. А. Игры учащихся – феномен культуры.

Приложение

Учебное занятие, проведенное в 10 а классе гимназии № 2 г. Оренбурга по теме  "Тепловые двигатели и проблемы экологии".

 Форма занятия - сюжетно-ролевая игра. Название игры - “Пресс-конференция”.

 Подготовка к занятию.

 За две недели до проведения пресс-конференции класс делится на 5 групп: группа инженеров- 5 человек; группа экологов- 3 человека; доктор медицинских наук – 1 человек; группа энергетиков- 2 человека; группа журналистов- остальные учащиеся.

  Каждая группа получает задание.

 Группа инженеров.

1 инженер. Принцип действия тепловых двигателей.

2 инженер. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой  машины.

3 инженер. Пути повышения КПД. Замкнутый цикл водоснабжения ТЭЦ.

4 инженер. Значение тепловых двигателей.

5 инженер. Принцип работы магнитных холодильников.

 Группа экологов.

1 эколог. Выброс вредных веществ, образующихся при сгорании топлива. Загрязнение вод нефтью.

2 эколог. Повышение средней температуры планеты за счет выделения тепла в окружающую среду.

3 эколог. Парниковый эффект.

 Доктор медицинских наук.

Воздействие вредных выбросов, образующихся в результате работы тепловых двигателей на организм человека.

 Группа энергетиков.

1 энергетик. Водородное топливо. Спирт как автомобильное горючее.

2 энергетик. Бионефть.

 Группа журналистов получает задание составить вопросы, продумать, какие периодические издания они будут представлять. Через неделю ребята сдают вопросы, из них отбираются лучшие.

 С каждой группой проводится консультация. "Журналистов" знакомят, как задавать вопросы, с учащимися других групп обговаривается содержание материала, глубина, широта освещения вопросов, рекомендуется литература. 

Немаловажны для успешного проведения игры различные атрибуты, помогающие вживанию в роль: оформление класса (длинный стол, покрытый скатертью, за которым рассаживаются “инженеры”, “энергетики”, “экологи”, “доктор медицинских наук”; на столе – таблички, на которых можно прочесть фамилию, имя, отчество участника пресс-конференции и его род занятий), наличие кинооператора с видеокамерой, снимающего пресс-конференцию (позже можно организовать коллективный просмотр видеопленки: во-первых, это интересно ребятам, во-вторых, полезно посмотреть на себя со стороны).

 Ход игры.

 I. Вступительное слово ведущего конференции.

 Уважаемые участники пресс-конференции! Ее организаторы рады приветствовать вас. Мы собрались сегодня с целью освещения проблем, возникающих при использовании человечеством тепловых двигателей, и путей их решения.

 На нашей конференции присутствуют: главный инженер Сакмарской ТЭЦ [1] Маликов Константин Витальевич, инженеры Сакмарской ТЭЦ Плотникова Юлия Николаевна, Хрипченко Александр Николаевич, Куцаков Дмитрий Михайлович, Иноземцева Елена Викторовна; представители "Green Peace" в Оренбурге Ахматова Ольга Николаевна, Безмельницына Мария Владимировна, Айбасова Гульнара Жумагалиевна; доктор медицинских наук, Маркина Яна Дмитриевна; главный энергетик Сакмарской ТЭЦ Волженцева Татьяна Викторовна, энергетик Сакмарской ТЭЦ Дедова Галина Владимировна.

 Чтобы ознакомить присутствующих с принципом действия тепловых двигателей, с небольшим докладом перед вами выступит Маликов Константин Витальевич.

 II. Доклад.

(На экран через эпидиаскоп высвечивается схема теплового двигателя).

 Тепловой двигатель состоит из трех основных элементов: нагревателя, рабочего тела и холодильника.

 Рабочим телом служит газ или пар. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q1 и нагревается при этом до температуры Т1. Нагретый газ (пар), расширяясь, совершает работу (например, толкает поршень или вращает турбину). При этом газ охлаждается.

 Не все количество теплоты, полученное от нагревателя, идет на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами. Холодильником служит окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации пара – конденсаторы. Отдавая холодильнику количество теплоты Q2, рабочее тело охлаждается до температуры Т2. Величина совершенной работы равна разности между количествами теплоты Q1 и Q2.

 Ведущий. Есть вопросы к докладчику? 

 Вопрос. Аврунев Игорь, корреспондент журнала “Юный техник”. Константин Витальевич, почему газ не может затратить на совершение работы все количество теплоты, полученное от нагревателя? Спасибо.

 Ответ. Это связано с тем, что необходимо осуществить циклическую работу тепловых двигателей. А для этого необходимо путем сжатия вернуть газ в исходное состояние. При сжатии над газом совершается работа. При расширении газ сам совершает работу. Если эти работы будут равны, то суммарная работа за цикл будет равна нулю. Отсюда следует, что если мы хотим получить полезную работу, то необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для того, чтобы работа при сжатии газа была по модулю меньше работы газа при расширении, нужно, чтобы каждому значению объема при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Давление газа при одном и том же объеме тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому газ перед сжатием надо охладить.

 В принципе, возможно представить себе тепловую машину, в которой отсутствует такой элемент как холодильник. Но практической ценности такой тепловой двигатель представлять не будет. Дело в том, что, совершая работу, газ охлаждается. Чем ниже температура газа, тем медленнее происходит процесс расширения газа и тем медленнее газ толкает поршень или вращает турбину. Если мы будем ждать, пока все количество теплоты, полученное от нагревателя, превратится в работу, то это ожидание займет бесконечно большой промежуток времени [2] . Чтобы этого избежать, используют холодильник.

 Ведущий. Есть еще вопросы к докладчику? Тогда приступаем к пресс-конференции.

 III. Пресс-конференция.

 Вопрос. Бушухин Игнат, корреспондент журнала “Техника молодежи”. Какими техническими недостатками обладают тепловые двигатели? Спасибо.

 Ответ (2 инженер). Одним из существенных недостатков тепловых двигателей является низкий коэффициент полезного действия тепловых двигателей.

 Еще в 1824г. французский инженер Сади Карно показал что КПД идеальной тепловой машины имеет следующее значение:

hmax  .

Преобразовав эту формулу получим: hmax=1-  . Отсюда видно, что КПД тем выше, чем ниже температура холодильника Т2 и чем выше температура нагревателя Т1. Отсюда, казалось бы, существуют такие пути повышения КПД: увеличение температуры нагревателя и уменьшение температуры холодильника. Причем, при Т2 = 0, КПД был бы равен единице.

 Однако, на самом деле, повысить таким образом КПД тепловой машины нельзя.

 Мы не можем понизить температуру холодильника, так как холодильником служит окружающая среда. Повышать температуру нагревателя можно до определенных пределов, так как любой материал обладает ограниченной жаропрочностью. При Т1=800К и Т2=300К h=0,62 или 62%.

 КПД реальной тепловой машины еще ниже, так как существуют дополнительные потери энергии из-за действия силы трения, неполного сгорания топлива и т. д.

  Вопрос. Дьяченко Дмитрий, корреспондент журнала “Наука и жизнь”. Можете ли вы назвать реальные пути решения этой проблемы?

 Ответ (инженер 3). Есть только один путь повышения КПД реальной тепловой машины – приблизить его значение к значению КПД идеальной тепловой машины. Для этого необходимо уменьшать трение частей механизмов, увеличивать полноту сгорания топлива.

 Вопрос. Как известно, продукты сгорания топлива содержат вредные вещества. Какие именно? Милова Екатерина, корреспондент журнала “Природа”. Спасибо.

Ответ (эколог 1). При сгорании топлива образуются такие вредные для растений, животных и человека вещества как оксиды азота, углеводороды, оксиды углерода, сернистые соединения, а также твердые частицы (сажа). Кроме того, тепловые электростанции ежегодно выбрасывают в отвалы 50-70 млн. т. золы. Под эти отвалы на каждой станции отводится, а значит, изымается из полезного пользования от 500 до 1000 га земли. Многие золоотвалы становятся источниками загрязнения почвенных вод.

 Наибольшему загрязнению подвергается воздушный бассейн Земли, причем некоторые загрязнения приводят к глобальным отрицательным экологическим последствиям. Твердые частицы пыли и сажи, образующиеся при работе тепловых двигателей, приводят к запылению воздуха, которое повышает отражательную способность атмосферы и становится причиной заметных изменений погоды (похолодания) в зоне действия указанных выбросов, более частых дождей и туманов. Эти твердые частицы загрязняют листовую поверхность растений, нарушая их нормальное функционирование. Выбросы сернистого газа и оксидов азота являются причиной образования кислотных осадков. А при сжигании угля образуются частицы сульфатов металлов, некоторые из них легко растворяются в воде и становятся причиной возникновения кислотных рос и туманов. Кислотные осадки вызывают закисление почв, приводят к потерям урожаев сельскохозяйственных культур, гибели лесов, оказывают отрицательное воздействие на пресные водоемы, приводя к гибели рыб, а через цепи питания – птиц и животных суши. Выбросы углеводородов в ходе сложных реакций при специфических условиях состояния атмосферы приводят к образованию фотохимического смога.

 Вопрос. Волобоева Екатерина, корреспондент журнала “Здоровье”. Какие воздействия на организм человека оказывают вредные выбросы, образующиеся в результате работы тепловых двигателей? Спасибо.

 Ответ (доктор медицинских наук). Диоксид углерода обладает наркотическим действием, раздражающе действует на кожу и слизистую оболочку. Оксид углерода при вдыхании связывается с гемоглобином крови, вытесняя из нее кислород, в результате чего наступает кислородное голодание, сказывающееся прежде всего на центральной нервной системе. Высокая концентрация оксида углерода даже при кратковременном воздействии может вызвать смерть; небольшие дозы вызывают головокружение, головную боль, чувство усталости и замедленную реакцию. Оксид углерода – один из факторов, вызывающих болезнь сердца стенокардию, так как уменьшение переноса кислорода к тканям особенно пагубно для миокарда (сердечной мышцы). Диоксид азота вызывает сильное раздражение слизистых оболочек глаз, а при вдыхании – образование азотной и азотистой кислоты в дыхательных путях. Альдегиды (кислородосодержащие производные углеводородов) раздражающе действуют на глаза, дыхательные пути, поражающие центральную нервную систему, почки и печень. При фотохимическом смоге воспаляются глаза, слизистые оболочки носа и горла, отмечаются симптомы удушья, обострение легочных и нервных заболеваний, бронхиальной астмы. Сернистый газ приводит к росту онкозаболеваний. Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Длительное вдыхание повышенных концентраций сернистого газа повышенных концентраций действует на организм общетоксично, вызывая нарушения деятельности нервной системы. Как любая мелкая пыль, сажа действует на органы дыхания, но главная опасность заключается в том, что на ней адсорбируются канцерогенные вещества, следовательно возрастает риск заболевания раком. Соединения свинца поражают органы и ткани организма, нервную систему, желудочно-кишечный тракт, нарушают обменные процессы, приводят к росту онкозаболеваний. Опасность отравления соединениями свинца усугубляется тем, что они, как и канцерогенные вещества, не удаляются из организма, а накапливаются в нем, так же как в почве и растениях.

 Вопрос. Журенко Никита, корреспондент журнала “Экология”. Какие еще экологические проблемы стоят перед человечеством в связи с использованием тепловых двигателей? Спасибо.

 Ответ (эколог 3). При работе тепловых двигателей выделяется углекислый газ. Углекислый газ в атмосфере наряду с парами воды приводит к так называемому “парниковому эффекту”, который состоит в следующем. Атмосфера пропускает видимое солнечное излучение, которое нагревает поверхность Земли. Нагретая Земля испускает невидимое излучение, которое поглощается в значительной степени углекислым газом, содержащимся в атмосфере. Температура на поверхности Земли благодаря “парниковому эффекту” примерно на 35 С выше той, которая была бы без него. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли приведет к повышению средней температуры планеты.

 (Слово берет эколог 2).

 Есть еще одна причина, по которой средняя температура на планете может возрасти. Как было отмечено в докладе Константина Витальевича, работа тепловых двигателей не может быть осуществлена без отвода в окружающую среду некоторого количества теплоты, что также приводит к постепенному повышению средней температуры на планете. 

 Вопрос. Байда Наталья, корреспондент журнала “Экология промышленного производства”. Что плохого в том, что на Земле станет теплее? 

 Ответ (эколог 2). Возможным последствием потепления климата на Земле в последние годы посвящено много статей в газетах и журналах разных стран. Распространено мнение, что потепление грозит большими бедствиями: при повышении температуры воздуха растают материковые льды Антарктиды и Гренландии. Это вызовет подъем уровня мирового океана, в результате чего будут затоплены низкорасположенные населенные пункты и сельскохозяйственные угодья. Однако такое предположение нельзя считать обоснованным. Как мы теперь точно знаем (по результатам бурения скважин), ледниковый щит Антарктиды образовался более 30 миллионов лет назад. Следовательно, он уже выдержал несколько эпох потепления климата Земли, гораздо более значительного, чем ожидаемое нынче.

 По мнению академика А. Л. Яншина, потепление климата приведет к увеличению испарения с поверхности мирового океана, в результате чего возрастет количество летних и зимних осадков над континентами. В результате, те районы планеты, которые сейчас являются пустынями, станут плодородными.

 Так что однозначного ответа на вопрос о последствиях потепления на Земле пока нет.

 Мне бы хотелось обратить ваше внимание на другую проблему, связанную с отдачей тепла в окружающую среду. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара, то есть мы имеем дело с нерациональным расходованием запасов пресной воды. Предприятия теплоэнергетики потребляют огромное количество пресной воды. Большая часть воды расходуется на охлаждение. Сбрасываемая обратно в водоемы, она приводит к их тепловому загрязнению, что оказывает неблагоприятное влияние на флору и фауну: содержание кислорода в воде уменьшается. Хотя сама вода на 89% состоит из кислорода, для дыхания водных организмов пригоден только растворенный в воде кислород, а его растворимость понижается с ростом температуры. Снижение содержания растворенного в воде кислорода создает условия для эвтрофикации водоемов. Наблюдается “цветение” воды, зарастание прибрежной зоны, уменьшается прозрачность воды.

 Сточные воды теплоэлектростанций загрязнены легко окисляющимися (то есть расходующими кислород), а также токсичными веществами, в том числе солями тяжелых металлов, которые накапливаются в иле, попадают в организмы рыб и через цепи питания - в организмы птиц, других животных и человека, становясь причиной тяжелых заболеваний. 

 (Слово берет эколог 1).

Мне также хочется обратить ваше внимание на следующую проблему. Как известно, в качестве топлива в настоящее время используются нефтепродукты. С ростом морской нефтедобычи, которая дает сейчас 20% всей добываемой нефти, усиливается загрязнение вод нефтью в результате аварий, утечек во время заправки танкеров и перекачки нефти в береговые хранилища из подводных нефтепроводов. Большое количество нефти попадает в море с балластной водой, сбрасываемой танкерами (около 4 млн. т. ежегодно), и в результате аварий и катастроф танкеров в море (в среднем около 300 судов в год). На долю этих источников приходится 35% всех сбросов нефти в море. Разливаясь по поверхности воды тонкой пленкой толщиной в несколько микрон, одна тонна нефти может покрыть площадь около 12 км. Нефтяная пленка нарушает газо- и влагообмен между атмосферой и водоемом, играющий большую роль в формировании климата, создает неблагоприятные условия для функционирования водной биоты, уменьшает испарение на 60 %, в результате чего усиливается нагрев водной поверхности и соприкасающихся с ней воздушных масс, которые становятся менее насыщенными водяными парами и, следовательно, дают меньшее количество осадков. А это означает, что люди будут обладать меньшим количеством пищевых ресурсов. 

Даже незначительная примесь нефти к морской воде вызывает гибель икры и мальков многих видов рыб. Но главная угроза загрязнения морских вод нефтью заключается в гибели мельчайших растительных организмов – фитопланктона, составляющего около 90% всего растительного царства Земли, дающего более 10 млрд. т. биомассы ежегодно и являющегося первым звеном пищевой цепи обитателей моря. Фитопланктон является основным производителем кислорода на земном шаре, вырабатывая за счет фотосинтеза около 70% всего кислорода. Катастрофические разливы нефти в море приводят к уничтожению множества морских птиц (по подсчетам английских орнитологов из-за этого ежегодно гибнут более 250 000 птиц). Водоплавающие птицы смазывают при помощи клюва свои перья жиром, выделяемым особой железой. Поэтому перья не смачиваются водой. Под перьями имеется пух, он остается сухим, и вокруг тела птицы сохраняется воздушный слой, благодаря которому птица не мерзнет даже в холодной воде и, кроме того, держится на воде, не тонет. Нефть смачивает перья птиц, вода проникает в слой пуха, и птица может замерзнуть и утонуть. 

 Вопрос. Милова Екатерина, корреспондент журнала “Природа”. Сейчас было названо несколько экологических проблем. Какие пути решения этих проблем вы можете предложить?

 Ответ (инженер 3). С целью экономии водных ресурсов строятся электростанции с замкнутым циклом водоснабжения. Отработанный пар охлаждают, он конденсируется, образовавшаяся вода подается снова в паровой котел. Энергию отработанного пара можно использовать для горячего водоснабжения и отопления жилых помещений. Так, Сакмарская ТЭЦ* снабжает горячей водой и отапливает Степной поселок. Благодаря этому КПД ТЭЦ составляет 60-70%, в то время как КПД ТЭС составляет не более 40%.

 (Слово берет эколог 1).

 Для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу необходимо использовать очистительные фильтры. В автомобилях очистка отработанных газов затруднена, и здесь надо искать другие пути. Например, в качестве горючего можно использовать водородное топливо. Это топливо экологически чистое. Использование спирта в качестве автомобильного топлива также существенно снизит загрязнение среды – выхлоп спиртового двигателя значительно менее токсичен. Можно также использовать бионефть – в ней практически отсутствуют вредные примеси, в том числе самая неприятная из них – сера.

 Если рассматривать вопрос о загрязнении вод нефтью, то обнадеживает то, что имеются различные механические, химические и биологические методы и способы ликвидации нефтяных загрязнений акваторий. 

 Если же рассматривать вопрос о загрязнении золой, то использование зольных шлаков в производстве строительных материалов могло бы не только дать ощутимый экономический эффект, но и улучшить экологическую обстановку. Стоит также упомянуть экономический способ воздействия на предприятия. Необходимо сделать так, чтобы было намного дешевле обеспечить свое предприятие новейшим оборудованием по очистке выбросов, чем загрязнять окружающую среду.

 Вопрос. Садомская Валерия, корреспондент журнала “Промышленная энергетика”. Разумно ли использовать водородное топливо? Ведь смесь водорода с воздухом, как известно, взрывоопасна. Спасибо.

 Ответ (энергетик 1). При определенных концентрациях смесь водорода с воздухом, действительно взрывоопасна. Правда, ничуть не менее взрывоопасна смесь воздуха с природным газом, что никак не препятствует широкому применению природного газа в технике и быту.

 Водородное топливо обладает многими достоинствами. Теплотворная способность водородного горючего почти в 3 раза превышает теплотворную способность бензина. Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, на Земле его в 100 тысяч раз больше, чем каменного угля. Запасы его практически неисчерпаемы. Более того, при его сгорании образуется вода, из которой можно снова получить водород. Водород легко транспортировать по трубопроводам. Его просто распределять между потребителями. Подсчитано: транспортировка водорода на 100 км стоит на 20% дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии. А если расстояние растет, разница в стоимости переброски еще существеннее – для расстояния в 1600 км доставка водорода вдвое выгоднее, чем передача электроэнергии.

 Однако наряду с достоинствами водородное топливо имеет недостатки. Прежде всего, оно довольно дорого. Его производят сейчас в основном из того же углеводородного топлива, которое водород призван заменить. Получение его из воды с помощью электрической энергии пока еще невыгодно – стоимость водорода получается в несколько раз выше, чем стоимость полученной из него энергии. Много проблем связано с тем, что водород очень легок. Для хранения 1кг водорода потребуется баллон объемом 11 кубометров! Его можно превратить в жидкость – и объем хранилища намного уменьшится. Но тогда придется поддерживать температуру -253 С, что баснословно дорого.

 (Слово берет 5 инженер).

 Американские ученые утверждают, что успехи в технологии охлаждения, позволят лет через десять сжижать “топливо мечты”.

 Принцип нового способа охлаждения заключается в том, что некоторые металлы при намагничивании нагреваются, а при размагничивании охлаждаются. Впервые этот эффект был обнаружен в 1918 г., а с 20-х гг. уже использовался учеными для достижения температур, близких к абсолютному нулю. Недавно был открыт сплав алюминия, эрбия и диспрозия, который позволяет надеяться на возможность создания дешевых и достаточно эффективных установок, способных конкурировать с обычными ожижителями водорода. Лучшие газокомпрессорные холодильные машины имеют КПД только 40%. Используя магнитное охлаждение, можно повысить КПД до 60%. В холодильных установках с магнитным охлаждением нет газа – хладагента, в качестве которого в большинстве случаев используют фреоны. Фреоны повреждают озоновый слой, от них стараются избавиться. Однако удовлетворительной замены фреонам пока нет. Газы, не повреждающие озонового слоя, дают парниковый эффект.

 Магнитная заморозка продуктов и охлаждение воздуха обходится на 30% дешевле в смысле расхода электроэнергии.

 Сейчас магнитные холодильники довольно дороги. В них используются сплавы на основе гадолиния – редкоземельного металла, стоимость которого около 500 долларов за килограмм. Поиски ведутся в двух направлениях. Одно из них – разработка новых эффективных магнитных сплавов. Например, недавно открытый сплав алюминия на 75% дешевле лучшего из гадолиниевых сплавов и на 30% эффективнее. По оценкам, он может позволить удешевить оборудование на 40%. Второе направление – увеличение количества переносимого тепла.

 Первым промышленным применением магнитного охлаждения может оказаться производство дешевого жидкого водорода.

 Можно также вместо водорода в жидком виде использовать его в составе твердых металлогидратов, из которых он выделяется при нагревании.

 Вопрос. Байда Наталья, корреспондент журнала “Экология промышленного производства”. Не проще было бы отказаться от использования тепловых двигателей? Спасибо.

 Ответ (инженер 4). Давайте представим, что мы отказались от использования тепловых двигателей. Прекратили работу теплоэлектростанции – погасло электричество, остановилось промышленное производство. Остановились поезда, теплоходы, самолеты, сельскохозяйственные машины, городской автотранспорт. По-моему, это будет катастрофой.

 Вопрос. Аврунев Игорь, корреспондент журнала “Юный техник”. Но ведь существуют же проекты электромобилей, гелиомобилей, а кроме ТЭС существуют и другие виды электростанций.

 Ответ (инженер 4). В нашей стране более 80% всей электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Так что пока нам без них не обойтись. Что же касается электро - и гелиомобилей, то до серийного производства пока еще далеко.

 Вопрос. Сафонова Мария, корреспондент журнала “Проблемы окружающей среды и природных ресурсов”. Не опасаетесь ли вы, что из-за топливного кризиса нам все равно придется отказаться от использования тепловых двигателей? Спасибо. 

 Ответ (энергетик 2). Да, запасы топлива в недрах Земли ограничены. Но я думаю, что к тому времени, когда эти ресурсы будут исчерпаны, появятся новые, нетрадиционные источники энергии. Человечество научится использовать энергию океанских приливов и отливов, ветра, солнца, тепла земных недр.

 Вопрос. Садомская Валерия, корреспондент журнала “Промышленная энергетика”. А не поможет ли решить топливную проблему бионефть? И что это такое? Спасибо.

 Ответ (энергетик 2). Некоторые виды растений вырабатывают в своих тканях горючие углеводороды, по составу похожие на те, которые содержатся в нефти. На Филиппинах, например, нашли дерево, которое местные жители называют “ханга”. Его орехи содержат масло, по своему составу почти совпадающее с нефтью. Во время второй мировой войны японцы заправляли двигатели танков маслом, выжатым из этих орехов. Какой-либо дополнительной обработки при этом не потребовалось. В Амазонии нашли дерево “копаибу”, достигающее почти 30 м в высоту. Из одного надреза на стволе этого дерева может за час натечь около 20 л отличного дизельного топлива. 

 Самым перспективным является обычный сорняк с латинским названием “эйфорбия латирис”, называемый в просторечии “сусликовым деревом”. По расчетам с гектара, засеянного сусликовым деревом, можно получить 1,5 тысячи литров бионефти. Однако, бионефть топливную проблему не решит. Одни только автомобили “выпивают” более 5 млрд. литров в сутки. А ферма, производящая всего лишь 5 млн. литров бионефти в сутки, должна была бы занимать площадь не менее 350 тыс. гектаров. Учтем еще, что эту землю нужно обрабатывать, а за сорняком ухаживать, защищать его от других сорняков. 

 Вопрос. Сафонова Мария, корреспондент журнала “Проблемы окружающей среды и природных ресурсов”. Не перейти ли всем странам на спирт в качестве автомобильного топлива, как это сделали в Бразилии? Спасибо.

 Ответ (энергетик 1). Да, Бразилия является лидером в использовании спирта в качестве автомобильного топлива. Уже в середине 80-х годов производство спирта из сахарного тростника достигло там 11 млрд. литров в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить горючим 5 млн. автомобилей. Однако, ученые подсчитали, что все растения мира, превратившись в спирт, в состоянии покрыть наши потребности только на 40%.  

 IV. Заключительное слово ведущего конференции.

 На этом наша пресс-конференция окончена, благодарим за участие.

 К следующему уроку “журналисты” готовят статьи, которые затем вывешиваются в кабинете физики и оцениваются. 

 

Список литературы
 

1.  Володин В., Хазановский П. энергия, век двадцать первый. – М.: Детская литература, 1989. – 143 с. 

2.  Автомобиль и экология (факультатив) // Физика № 32. – 1998. – С. 1-15. 

3.  Магнитные холодильники (факультатив) // Физика № 14. – 1996. – С. 14-16.

4.  Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений. – 7-е изд. – М.: Просвещение, 1999 – 222с.

5.  Электрическая энергия: проблемы экологии (факультатив) // Физика № 21. – 1996. – С. 1-14.

6.  Электрическая энергия: проблемы экологии (факультатив) // Физика № 2. – 1997. – С. 1-14.

7.   Яншин А. Опасен ли парниковый эффект // Наука и жизнь № 12. – 1989. – С. 22-25.

1 эколог. Лит-ра: 4 с.81-83; 5 с. 6, 7, 10-13; 1 с.24-26.

2 эколог. Лит-ра: 4 с. 81-83; 7; 6 с. 3.

3 эколог. Лит-ра: 4 с.81-83.

1-4 инженеры. Лит-ра: 4 с. 78-83.

5 инженер. Лит-ра: 3.

Доктор мед. наук. Лит-ра: 2 с. 9-11.

Энергетики. Лит-ра: 1 с.24-26.