Урок физики Кейсы 8-11 класс

Кейсы 9-11 класс.

9 класс.

КЕЙС.    Тема: «Механический резонанс» (демонстрируется видеофрагмент разрушения моста)

Вопросы к кейсу:

Какое событие представлено в видеокейсе?

Известно ли вам физическое явление, которое лежит в основе данного события?

Какие особенности события вы заметили при просмотре видеокейса?

Сформулируйте для себя задание, опираясь на данный кейс.

 

10 класс

  Задания кейса по теме «Молекулярная физика и термодинамика»  

Текст 1. Аркадий и Борис Стругацкие «Путь на Амальтею»

«Корабль непрерывно мотало, словно щепку на волнах. Жилин бежал по коридору и думал: этот мимо. И этот мимо. И вот этот тоже мимо, и все они мимо... За спиной вдруг раздалось пронзительное "поук-пш-ш-ш-ш..." Он бросился спиной к стене и обернулся. В пустом коридоре, шагах в десяти от него, стояло плотное облако белого пара, совершенно такое, как бывает, когда лопается баллон с жидким гелием. Шипение быстро смолкло. По коридору потянуло ледяным холодом, на потолке было видно небольшое чёрное пятно. Это были метеоритные пробоины, затянутые смолопластом. Вокруг пятен дрожали крупные капли осевшей влаги».

Текст 2. Жюль Верн «Пять недель на воздушном шаре»

«Мой способ подъема и снижения воздушного шара основан на расширении и сжатии газа, находящегося в оболочке, посредством изменения его температуры. И вот как я этого достигаю. На ваших глазах погрузили на этот транспорт вместе с корзиной несколько ящиков. Первый из них содержит около двадцати пяти галлонов воды, к которой я прибавляю несколько капель серной кислоты для увеличения ее электропроводимости. Затем эту воду я химически разлагаю с помощью сильной бунзеновской батареи. Вода, как вы знаете, состоит из двух частей водорода и одной части кислорода. Кислород под действием электробатареи поступает с ее положительного полюса во второй ящик. Третий ящик, вдвое большего размера, помещенный над вторым ящиком, принимает в себя водород, получаемый с отрицательного полюса батареи.

При помощи кранов, из которых у одного отверстие вдвое больше, чем у другого, эти два ящика соединяются с четвертым, который называется смесительным ящиком. Здесь действительно смешиваются оба газа, получившиеся от разложения воды. В верхней части этого ящика помещается платиновая трубка, снабженная краном.

Вы уже, конечно, догадались, господа, что описываемый мною аппарат есть не что иное, как кислородно-водородная горелка, температура которой выше температуры кузнечного горна.

Из нижней части герметически закрытого шара на небольшом расстоянии друг от друга выходят две трубки. Одна трубка доходит до верхних слоев водорода в шаре, другая – до нижних. Обе трубки снабжены в нескольких местах каучуковыми сочленениями, позволяющими им выдерживать колебания воздушного шара. Эти две трубки спускаются в корзину и входят в железный ящик цилиндрической формы, который называется ящиком нагрева.

Этот ящик закрыт снизу и сверху двумя дисками из того же металла, что и ящик. Трубка, идущая из нижней части шара, входит в этот цилиндрический ящик через нижний его диск и внутри его принимает форму змеевика, кольца которого, расположенные одно над другим, занимают всю высоту ящика. Прежде чем выйти из ящика, спиральная трубка входит в маленький конус, вогнутое основание которого, имеющее форму сферического колпачка, обращено книзу. Из вершины этого конуса выходит другая трубка, которая, как я уже упоминал, идет в верхние слои водорода в шаре. Сферический колпачок конуса сделан из платины, чтобы он не расплавился от высокой температуры. А горелка эта помещается на дне ящика нагрева, посреди спиралей змеевика, так, что верхняя часть пламени слегка касается платинового колпачка. Так вот: аппарат, который я вам только что описал, в сущности тот же калорифер.

 Таким образом, по трубкам и змеевику происходит чрезвычайно быстрое движение газа, который, выходя из шара, непрерывно нагревается и снова в него поступает. При нагревании на один градус газ расширяется на одну четырехсотвосьмидесятую своего объема. Если я повышу температуру на восемнадцать градусов, то водород, заключающийся в воздушным шаре, расширится на восемнадцать четырёхсотвосьмидесятых своего объема, или на тысячу шестьсот семьдесят четыре кубических фута; следовательно, он вытеснит еще тысячу шестьсот семьдесят четыре кубических фута воздуха, и это увеличит его подъемную силу на сто шестьдесят фунтов. Это равносильно выбрасыванию балласта такого же веса».

Текст 3. Генри Каттнер «Сплошные неприятности»

« …У меня есть способность поворачивать глаза так, что становится видна сущность вещей. Глянул я, к примеру, на оконную решетку, и вижу - вся она состоит из крошечных смешных штучек, которые трясутся, бестолково топчутся на одном месте и вообще суетятся, будто верующие, собирающиеся к воскресной обедне. Теперь их, слышно, называют атомами. Усыпив предварительно мистера Амбрустера, я начал строить из атомов, как из кирпичиков, нужные мне комбинации. Вначале, правда, я ошибся и превратил железную решетку в золотую, но тут же поправился и растворил ее в воздухе.

Очутившись снаружи, я загнал атомы на старые места, и в окне опять возникла решетка».

Кейс    Тема: «Молекулярно- кинетическая теория в нашей жизни»

Группа А: получает кейс под номером №1:

1.В недавнее время в научной литературе стали вновь появляться сообщения о странных явлениях у пролетных стрижей и ласточек. То в одном, то в другом укромном месте обнаруживали большие скопления оцепеневших птиц. Такие случаи наблюдались, как правило, во время, осенних или весенних перелетов в холодную, пасмурную погоду. Во время оцепенения у стрижей температура снижается до 20°С —25°С.

2. В Эстонии  в конце августа 1959 г. во время похолодания, сопровождавшегося сильным ветром и дождем, там погибло множество ласточек, среди которых 70—80% оказались молодыми деревенскими ласточками. Данные о гибели птиц поступили тогда из 71 пункта. Всего было найдено 4500 мертвых ласточек.

3.Колибри - семейство мелких птиц, которое единственное в отряде колибриобразных. Существует свыше трехсот видов. Температура тела - неустойчивая. Теплокровными они бывают во время движения, то есть в течение всего дня, а с наступлением сумерек, птицы спешат сесть на ветку. При этом температура тела резко снижается до 17°С  и колибри впадает в оцепенение.

Вопросы:

1.Почему впадают в оцепенение или погибают птицы во время похолодания? (Обсуждение учеников на своих местах)

Окончательный ответ учеников: При понижении температуры уменьшается скорость движения молекул, из которых состоят все тела. Это как раз и способствует торможению обмена веществ у птиц. Вследствие,  этого они впадают в оцепенение.

2.Как можно помочь птицам?

Окончательный ответ учеников: Важнейшее условие самостоятельного выхода птиц из торпидного состояния — степень их упитанности и улучшение погодных условий – потепление. При длительном голодании птицы из состояния холодового оцепенения не выходят. Все имеющиеся до сих пор факты позволяют думать, что холодовое оцепенение (торпидное состояние) у птиц имеет биологическое значение, предохраняя их от излишних потерь тепла (у колибри).

 Группа В: получает кейс под номером №2:

26 января 2009 года о факте  массовой гибели птиц от мазута, разлитого в Анивском  заливе, сообщило  РИА Новости. На побережье залива наблюдается огромное количество морских птиц, покрытых мазутной пленкой. Среди животных - и мертвые особи, и еще живые, находящиеся в морской воде. Среди них – утки-морянки, гагары, кайры, чаек нет.

Пострадавшими и уже мертвыми птицами покрыто около 3 км побережья. Добровольцы уносят живые особи в мешках домой, чтобы очистить от мазута.

В случае загрязнения птиц нефтью зимой в открытом море  около 60-70% погибает и тонет, не добравшись до берега. Еще какая-то часть становится добычей хищников. Зимой, при минусовых температурах воздуха и воды, практически 100% птиц, оперение которых испачкано нефтепродуктами, обречены на смерть.

Статья 252 УК (уголовного кодекса) РФ Загрязнение морской среды

1.Загрязнение морской среды из находящихся на суше источников либо вследствие нарушения правил захоронения или сброса с транспортных средств или возведенных в море искусственных сооружений веществ и материалов, вредных для здоровья человека и живых ресурсов моря либо препятствующих правомерному использованию морской среды, - наказывается штрафом в размере до двухсот тысяч рублей или в размере заработной платы или иного дохода осужденного за период до восемнадцати месяцев, либо лишением права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью на срок до пяти лет, либо исправительными работами на срок до двух лет, либо арестом на срок до четырех месяцев.

Вопросы:

1.Почему с точки зрения физики произошла массовая гибель птиц?

Окончательный ответ учеников:

2.Не слишком ли суровым вам кажется мера наказания за это преступление?

Группа С: получает кейс под номером №3:

Как известно в 2011 году произошло повышение тарифов на горячее и холодное водоснабжение примерно на 15%, поэтому возможность снизить коммунальные платежи стала еще более актуальной. По статистическим данным, счетчик холодной или горячей воды позволяет сократить расходы на оплату счетов за воду в 2,5 раза, и это при условии, что вы будете продолжать тратить воду в привычном объеме.

  Такая существенная экономия легко объяснима. Дело в том, что при выставлении счетов за воду, общая сумма делится равномерно между всеми жильцами дома. То есть вы платите не только за свои объемы расхода, но еще и за своих соседей. В связи с чем, мы и рекомендуем установить счетчик. Такая мера позволит вам контролировать свои расходы и, соответственно, существенно снизить сумму оплаты коммунальных услуг.

  Принцип действия счетчика очень прост - под напором потока воды вращается крыльчатка. Число ее оборотов пропорционально объему протекшей жидкости. Крыльчатка особым образом связана с механическим счетным механизмом. Этот механизм и производит накопление показаний расходов.

Вопросы:

1.У некоторых (в основном Российских или Китайских) производителей можно встретить так называемые "универсальные" модели, то есть приборы учета холодной и горячей жидкости  - это физически один и тот же прибор. Хорошо это или плохо? (Уточните, для кого)

Окончательный ответ учеников: это безусловно удобно производителям (меньше номенклатура комплектующих), продавцам (меньше номенклатура склада), потребителям (не всегда легко разобраться в кодировке разных моделей). Но так ли хорошо это с точки зрения измерений? Универсальные счетчики холодной и горячей воды означают, что для любой жидкости они сделаны из одних и тех же материалов. Но любому инженеру понятно, что при проектировании сложных механических изделий учитывается множество факторов материала, таких как термостойкость, тепловое расширение, коэффициент трения при разной температуре и проч. Для водосчетчика горячей воды также актуальна адгезия материалов, то есть способность материала накапливать на себе отложения. При изменении температуры воды меняются не только размеры проходного сечения водосчетчика, крыльчатки и других деталей, но и трение в подшипнике крыльчатки, а также вязкость самой жидкости

Кейс              Тема «Проблемы тепловых двигателей»

Материалы кейса

1.Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. (Р. Тревитик) и в 1814 г. (Дж. Стефенсон). В России первый оригинальный паровоз был построен Е.А. и М.Е. Черепановыми (1833 г.). Свыше столетия паровозы были самым распространённым видом тяги вплоть до 50-х гг. ХХ в., когда их повсеместно стали заменять электровозы и тепловозы. С 1956 года выпуск паровозов в СССР был прекращён, хотя они ещё эксплуатируются на некоторых малодеятельных линиях железных дорог и на промышленных предприятиях. Основная причина замены паровозов другими видами локомотивов — их низкая экономичность: КПД лучших моделей не превышал 9%, среднеэксплуатационный КПД равен 4%.
Большая советская энциклопедия

2.Для того чтобы оценить, насколько полно и выгодно используется в паровозе тепло, полученное от сжигания топлива, обычно пользуются понятием коэффициента полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия паровоза называется отношение количества тепла, которое использовано на работу по перемещению паровоза и поезда (то есть полезно использованного тепла), к количеству тепла, которым располагало топливо, заброшенное в топку паровоза. КПД современного, даже наиболее совершенного паровоза обычной конструкции редко превышает 7%. Это значит, что из каждой тонны сожжённого угля на передвижение поезда расходуется только 70 килограмм. Остальные 930 килограмм буквально «вылетают в трубу», то есть для работы по передвижению поезда не используются.

Из-за чрезвычайно низкого КПД паровоза на ветер выбрасываются тысячи тонн драгоценного топлива — «чёрного золота». Продолжая великое начинание своих соотечественников, знаменитых русских механиков Черепановых, наши паровозостроители шаг за шагом повышали мощность и экономичность паровоза. Радикальное решение проблемы повышения КПД было осуществлено в начале XX века, когда на паровозах был впервые применён перегретый пар. Однако добиться заметных результатов в повышении экономичности паровозов не удалось: со времени Черепановых мощность паровоза возросла больше чем в 100 раз, скорость увеличилась почти в 15 раз, а КПД паровоза — только в 2 раза.
Википедия

3.27 октября 2010 года электромобиль lekker Mobil, конвертированный из микровэна Audi A2, совершил рекордный пробег на одной зарядке из Мюнхена в Берлин длиной 605 километров в условиях реального движения по дорогам общего пользования, при этом были сохранены и действовали все вспомогательные системы, включая отопление. Электромобиль с электродвигателем мощностью 55 кВт был создан фирмой lekker Energie на основе литий-полимерного аккумулятора Kolibri фирмы DBM Energy. В аккумуляторе было запасено 115 кВт·ч, что позволило электромобилю проехать весь маршрут со средней скоростью 90 км/ч (максимальная скорость на отдельных участках маршрута составляла 130 км/ч) и сохранить после финиша 18% от первоначального заряда. По данным фирмы DBM Energy, электропогрузчик с таким аккумулятором смог непрерывно проработать 32 часа, что в 4 раза больше, чем с обычным аккумулятором. Представитель фирмы lekker Energie утверждает, что аккумулятор Kolibri способен обеспечить суммарный ресурсный пробег до 500 000 километров.
Venturi Streamliner Sets New World Speed Record 25 Aug 2010

4.КПД тягового электродвигателя составляет 88–95%. В городском цикле автомобиль задействует около 3 л.с. двигателя. Городской автотранспорт может быть заменён на электромобили. У электромобилей пока есть один большой недостаток — необходимость зарядки аккумулятора. Процесс долгий и требует некоторого специально оборудованного пункта зарядки. Таким образом он становится непригодным для длительных и дальних поездок. Но уже разработаны технологии, позволяющие заряжать литий-ионные аккумуляторы с электродами из наноматериалов до 80% ёмкости за 5–15 минут. У гибридного автомобиля этот недостаток устранён. Заправка осуществляется по привычной схеме, обычным углеводородным топливом, тогда, когда это необходимо, и дальнейшее движение можно немедленно продолжить.
Википедия

4.Однажды Винтик и Шпунтик никому ничего не сказали, закрылись у себя в мастерской и стали что-то мастерить. Целый  месяц они пилили, строгали, клепали, паяли и никому ничего не показывали, а когда месяц прошёл, то оказалось, что они сделали автомобиль.

Этот автомобиль работал на газированной воде с сиропом. Посреди машины было устроено сиденье для водителя, а перед ним помещался бак с газированной водой. Газ из бака проходил по трубке в медный цилиндр и толкал железный поршень. Железный поршень под напором газа ходил то туда, то сюда и вертел колёса. Вверху над сиденьем была приделана банка с сиропом. Сироп по трубке протекал в бак и служил для смазки механизма.

Такие газированные автомобили были очень распространены среди коротышек. Но в автомобиле, который соорудили Винтик и Шпунтик, имелось одно очень   важное  усовершенствование: сбоку к баку была приделана гибкая резиновая трубка с краником, для того чтобы можно было попить газированной воды на ходу, не останавливая машины.
Николай Носов, «Приключения Незнайки и его друзей»

5.— А чем трактор Митю порадовать? — кричит папа.
— Ничем. Мы его и так каждый день творогом радуем, — говорит дядя Фёдор. — Молоко в радиатор заливаем. Он у нас скоро сливочным маслом плеваться начнёт.
Она осмотрела трактор Митю и спросила:
— А сколько у вашего трактора лошадиных сил?
Эдуард Успенский, «Проcтоквашино»

6.Снижение отрицательного влияния автомобиля на окружающую среду — важное условие построения общества устойчивого развития. Наиболее радикальный способ решения вопроса — сокращение количества автомобилей, однако количество личных авто пока продолжает увеличиваться во всем мире. В США на 1000 человек приходится 590 авто, в Швеции — 420, в Японии — 285, в Израиле — 145, в Южной Корее — 27, в Китае — 2).

Пока наиболее реальным вариантом решения проблемы является уменьшение вреда от автомобилей за счёт снижения затрат горючего. Так, если сегодня средний легковой автомобиль потребляет 6–10 литров бензина на 100 километров пути, то уже созданы двигатели легковых авто, которые расходуют всего 4 литра. В Японии компания «Тойота» готовит к выпуску модель автомобиля с расходом горючего 3 литра на 100 километров пути.

Загрязнение атмосферы автомобилем уменьшается также при замене бензина на сжиженный газ. Используются специальные добавки-катализаторы к жидкому топливу, увеличивающие полноту его сгорания, бензин без свинцовых добавок. Разрабатываются новые виды топлива автомобиля. Так, в Австралии (город Канберра) апробировано экологически чистое топливо, в составе которого 85% дизельного топлива, 14% этилового спирта и 1% специального эмульгатора, повышающего полноту сгорания горючего. Проводятся работы по созданию двигателей автомобиля из керамики, которые позволят повысить температуру сжигания горючего и уменьшить количество выхлопных газов.
«Экология. Большой словарь экологических терминов и определений»

Задание для учащихся:
Проанализировать предложенные сведения, выявить основные проблемы тепловых двигателей, их причины, предложить пути решения.

 
В процессе работы учащиеся должны обратить внимание на названные ниже аспекты и дать ответы на вопросы:

1.      Низкая эффективность тепловых двигателей и значение КПД. Чем объяснить?

Здесь участникам надо применить знания, полученные не из материалов кейса, а, например, из пройденного материала по курсу физики («Тепловые явления»).

2.      Какие существуют альтернативные двигатели для автомобилей?

Оценить их достоинства и недостатки.

3.      Сравнить влияние каждого вида двигателя на экологию в зависимости от различных факторов. Есть ли среди известных двигателей экологически чистые и с высоким значением КПД?

4.      Как снизить отрицательное влияние автомобиля на окружающую среду (кроме вариантов решений, предложенных в кейсе)?

5.      Какие бы вы предложили способы улучшения экологической обстановки в городах?

6.      Какие пути повышения эффективности тепловых двигателей вы бы предложили?

11 класс

 Исследовательский кейс  по теме «Геометрическая оптика» 

Инструкция. Прочитайте, пожалуйста, текст информационного «кейса». На основании полученной информации необходимо составить краткую научную «исследовательскую» программу.

Цель – выяснить причины произошедшего события, установить возможные закономерности, предложить направление дальнейших исследований.

1. Сформулировать цель научного исследования.

2. К какой области научного знания может относиться анализ этого факта?

3. Сформулировать вопросы, на которые надо ответить в ходе исследования (не менее трех вопросов, можно больше).

4. Сформулировать основную гипотезу (научное предположение, требующее подтверждения), которую необходимо проверить.

5. Сформулировать положение, которое необходимо опровергнуть (антитезис, антигипотеза).

6. Определить методы научного исследования.

7. Какие имеющиеся знания (законы, теории) могут пригодиться в данном исследовании?

8. Какое оборудование необходимо для проведения исследования?

9. Указать примерный состав группы учёных-исследователей по количеству и специализациям. Представьте это в виде кластера с указанием функциональных обязанностей.

10. Предложить вариант названия научной статьи для журнала с публикацией полученных данных.

Текст 1.

Русалка – мифологическое и фольклорное человекоподобное существо, преимущественно женского пола, связанное с водоёмами. Почти во всех мифологиях, у разных народов, существовали существа полулюди-полурыбы. Русалки притягивают своим очарованием и таинственностью того, что они живут на дне морском. По языческим поверьям русских, души девушек, умерших до брака или во время русальной недели, пребывают на земле в течение русальной недели и возвращаются по ее завершении на «тот свет». Известно, что все русалки сплошь неграмотные, так как под водой все книги и газеты быстро размокают и расползаются, а над водой русалки очень плохо видят, так как надводное зрение русалок плохое, тогда как подводное – превосходно. Интересно, какие очки необходимо надеть русалке, чтобы читать газеты над водой, как все бесхвостые люди.

Текст 2. Ж. Верн «Путешествие и приключения капитана Гаттераса»

В повести Ж. Верна «Путешествие и приключения капитана Гаттераса» путешественники оказались без огнива в условиях сильного мороза:

«У нас нет даже подзорной трубы, с которой мы могли бы снять линзу и добыть огонь.

–Знаю, – ответил доктор, – и очень жаль, что нет: солнечные лучи достаточно сильны, чтобы зажечь трут.

–Что делать, придётся утолить голод сырой медвежатиной, – заметил Гаттерас.

–Да, – задумчиво произнёс доктор, – в крайнем случае. Но отчего бы нам не…

–Что вы задумали? – полюбопытствовал Гаттерас.

–Мне в голову пришла мысль…

–Мысль? – воскликнул боцман. – Если вам пришла мысль, значит, мы спасены!

–Нужно только, чтобы лучи Солнца были сведены в одну точку, а для этой цели лёд может заменить нам лучший хрусталь. Только я предпочёл бы кусочек пресноводного льда…»

Текст 3. Дж.К.Роллинг «Гарри Поттер и Тайная комната»

В книге Дж.К.Роллинг «Гарри Поттер и Тайная комната» Гарри нашёл страницу, вырванную из старой книги, где было написано: «Даден ему (Василиску) взгляд убийственный, так что ежели кто с ним очами встретится, тотчас примет кончину скорую и в муках великих…»

На основании этого Гарри объяснил, почему окаменели, а не погибли его друзья: Колин, около которого нашли расплавленный фотоаппарат, и Гермиона, рядом с которой лежало зеркальце:

–Василиск убивает взглядом. Но он пока никого не убил. Наверное, потому что никто из них не смотрел ему прямо в глаза. Колин видел его через глазок фотокамеры… Гермиона догадалась, что чудовище из тайной комнаты – Василиск. Она сказала первому, кого встретила, давай на всякий случай заглянем за угол с помощью зеркала…»

Текст 4. Л.Кэрролл «Алиса в Зазеркалье»:

«–Знаешь, Китти, если ты помолчишь хоть минутку, – продолжала Алиса, – и послушаешь меня, я тебе расскажу все, что знаю про Зазеркальный дом. Во-первых, там есть вот эта комната, которая начинается прямо за стеклом. Она совсем такая же, как наша гостиная, Китти, только все там наоборот! Когда я залезаю на стул и смотрю в Зеркало, она видна мне вся, кроме камина. Ах, как бы мне хотелось его увидеть! Мне так интересно узнать, топят они зимой камин или нет. Но в это Зеркало как ни гляди, камина не увидишь разве что наш камин задымит – тогда и там появится дымок. Только это, верно, они нарочно–чтобы мы подумали, будто и у них в камине огонь. А книжки там очень похожи на наши – только слова написаны задом наперед. Я это точно знаю, потому что однажды я показала им нашу книжку, а они показали мне свою!

– Ну как, Китти, хочешь жить в Зазеркальном доме? Интересно, дадут тебе там молока? Впрочем, не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти... А дальше идет коридор. Если распахнуть дверь в нашей гостиной пошире, можно увидеть кусочек коридора в том доме, он совсем такой же, как у нас. Но, кто знает, вдруг там, где его не видно, он совсем другой? Ах, Китти, как бы мне хотелось попасть в Зазеркалье! Там, должно быть, столько всяких чудес! Давай играть, будто мы туда можем пройти! Вдруг стекло станет тонким, как паутинка, и мы шагнем сквозь него! Посмотри-ка, оно и правда тает, как туман. Пройти сквозь него теперь совсем не трудно...»