Междисциплинарный подход в процессе изучения физики как средство развития функциональной грамотности

МАОУ «СОШ №19 им. Л.А.Попугаевой»

Междисциплинарный подход в процессе изучения физики как средство развития функциональной грамотности

Учитель физики МАОУ «СОШ №19 им. Л.А. Попугаевой»

г.Удачный, Мирнинский район, Республика Саха (Якутия)

Криволапова Дарья Ивановна

Проблемы изучения и преподавания учебного предмета «Физика»

• Проблемы мотивационного характера
• Проблемы содержательного характера
• Проблемы методического характера

Квантовая физика изучается в конце школьного курса

Квантовая физика в школьном образовании

Требуется высокая степень абстрактного мышления

С чем сталкивается учитель?

Формы учебных занятий при реализации междисциплинарного подхода …

Практическая, лабораторная, проектная деятельность:

квантовая теория и строение атома

+ математика

+ химия

+ биология

+ информатика

…

Построение междициплинарных связей

Химия:

1.ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

2.ВРЕМЯ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

3.АТОМ

4. …

Физика:

Математика:

1.ОБЪЕМ ТЕЛ (Стереометрия)

1.ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

2.ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕКТА

2.АТОМ

3.МАТ.АППАРАТ И ПРОЦЕСС

3.КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

4. …

4. …

Влияние квантов падающего света на интенсивность фотосинтеза в растениях

Статья «Механизм фотосинтеза использует вибронную квантовую когерентность»

https://elementy.ru/novosti_nauki/432292/Mekhanizm_fotosinteza_ispolzuet_vibronnuyu_kvantovuyu_kogerentnost

Включить в изучение раздела квантовой физики материал из следующих технологических областей

• Квантовые технологии: квантовые компьютеры и квантовые вычисления, квантовая криптография и коммуникации, квантовые сенсоры и элементная база.

Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Квантовые коммуникации. Квантовая криптография. Облачные платформы для квантовых вычислений. Квантовые сенсоры и элементная база.

2. Развитие квантовых технологий в современной России.

Первая и вторая квантовые революции. Квантовые технологии в России и мире: проблемы и перспективы развития. Квантовые размерные эффекты в современном приборостроении. Современное аналитическое оборудование и области его применения.

Примерная тематика кейсов

• Нейтронная терапия с использованием исследовательского реактора
• Процесс очистки сточных вод. Наночастицы
• Давление света. Солнечный парус
• Лидар и его применение для автономного транспорта
• Повышение КПД солнечных батарей
• Квантовая связь и телепортация
• Расчет характеристик солнечной электростанции для обеспечения энергопотребления квартиры и т.д.

Кейс – это единый информационный комплекс, который предназначен для развития у школьников умения самостоятельно принимать решения и находить правильные ответы на вопросы.

Структура кейса:

• сюжетная часть (ситуация, проблема, история из реальной действительности);
• справочная информация (таблицы, схемы, рисунки, фотографии, модели, ссылки на ресурсы, учебники);
• методическая часть (вопросы, задания к кейсу, постановка проблемы).

Кейс №1 «Расчет характеристик солнечной электростанции для обеспечения энергопотребления квартиры».

Теоретическая информация

Солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05 ⋅ 10 18 кВт ⋅ ч, из них 2 ⋅ 10 17 кВт ⋅ ч приходится на поверхность суши.

Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива – угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии.

Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии. Поэтому понятен интерес исследователей к разработке и созданию солнечных электростанций, использующих промежуточное преобразование солнечной энергии в тепло с последующим его преобразованием в электроэнергию.

Современный принцип работы солнечной батареи был открыт еще в 1839 году физиком по имени Александр Беккерель. В 1873 году был изобретен первый полупроводник, который сделал возможным реализовать принцип работы солнечной батареи на практике. Вообще исследования в этой области начались с открытия фотоэлектрического эффекта. В 1887 году Генрих Герц обнаружил это эффект во время наблюдения усиления процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением, но первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым Александром Столетовым.

На сегодняшний день солнечные батареи состоят из набора фотоэлементов, связанных в цепь. Фотоэлемент – это полупроводниковое устройство, которое непосредственно превращает световую энергию в энергию электрического тока.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость).

Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются. На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света.

Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток.

Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС) которую может создавать фотоэлемент зависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

Самый первый в мире фотоэлемент появился в 1883 году в лаборатории Чарьза Фриттса. Он был изготовлен из селена, покрытого золотом. Увы, но такой набор материалов показал невысокие результаты — около 1% КПД. Революция в использовании фотоэлементов произошла тогда, когда в недрах лаборатории компании «Bell Telephone» был создан первый элемент на кремнии. Кремний до сих пор остается основных материалом для производства фотоэлементов. Вообще кремний (Silicium, Silicon) — второй по распространенности элемент на Земле, запасы его огромны. Однако в промышленном его использовании есть одна большая проблема — его очистка. Процесс этот очень трудоемкий и затратный, поэтому чистый кремний стоит дорого. Сейчас ведется поиск аналогов, которые бы не уступали кремнию по КПД. 

Однако разность потенциалов, создаваемая одним фотоэлементов, мала для промышленного применения. Чтобы иметь возможность использовать солнечные элементы для электропитания устройств, их соединяют вместе. Тем самым получаются солнечные батарей (солнечные сборки, солнечные модули). Кроме того, фотоэлементы покрывают различными защитными слоями из стекла, пластмассы, различных пленок. Это делают для того, чтобы защитить хрупкий элемент.

Основной рабочей характеристикой солнечной батареи является пиковая мощность, которую выражают в Ваттах (Вт). Эта характеристика показывает выходную мощность батареи в оптимальных условиях: солнечном излучении 1 кВт/м 2 , температуре окружающей среды 25  o C, солнечном спектре шириной 45 o (АМ1,5). В обычных условиях достичь таких показателей удается крайне редко, освещенность ниже, а модуль нагревается выше (до 60-70 градусов).

Соединяя фотоэлементы последовательно мы повышаем разность потенциалов, соединяя параллельно — ток. Таким образом комбинируя соединения можно добиться требуемых параметров по току и напряжению, а следовательно и по мощности. Кроме того, последовательно или параллельно можно соединять не только фотоэлементы в рамках одной солнечной батареи, но и солнечные батареи в целом.

Проблематика:

Необходимо подобрать солнечную батарею для квартиры. Известно, что потребление электроэнергии для двухкомнатной квартиры в среднем составляет 180 кВт*ч в месяц. Соответственно, суточное потребление составляет 6 кВт*ч.

Задание:

• Изучить устройство и принцип работы солнечной батареи.
• Выяснить из справочных источников среднемесячный уровень солнечной радиации в вашем городе в течение года. Заполните таблицу:

• Определить, в каком месяце достигается наибольшее и наименьшее значение уровня солнечной радиации.

Показатель уровня солнечной радиации E , кВт*ч/м 2

январь

февраль

март

апрель

май

июнь

июль

август

сентябрь

октябрь

ноябрь

декабрь

• Выясните, каковы потери энергии на разрядку аккумулятора, и рассчитайте с учетом потерь, суточное потребление энергии.
• Изучите основные характеристики солнечной батареи.
• Выберите для использования в квартире оптимальную по характеристикам солнечную панель.
• Определите энергию, которую способна выработать выбранная вами солнечная панель в те месяцы, когда достигаются наибольшее и наименьшее значения уровня солнечной радиации. Для расчета используйте формулу, найденную в литературных источниках.

• Определите, какое количество солнечных панелей потребуется в периоды достижения наибольшего и наименьшего значения уровня солнечной радиации.

Приложения:

• Устройство и принцип действия солнечной батареи:

http:// www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9607_093.pdf

http:// www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9904_105.pdf

http:// www.gubkin.ru/faculty/pipeline_network_design/chairs_and_departments/thermodynamics_and_thermal_engine/files/Bessel_photovoltaic_cells.pdf

2. Сводные таблицы и графики солнечной инсоляции в отдельных регионах России https :// www.betaenergy.ru/insolation/

3. Сравнительные характеристики солнечных батарей

https:// arkodan.com/engineering/obzor-sravnenie-solnechnyx-panelej

Работа ученика  с  кейсом

1 этап - знакомство с ситуацией, её особенностями

2 этап - выделение основной проблемы (проблем);

3 этап - предложение концепций или тем для «мозгового штурма»;

4 этап - анализ последствий принятия того или иного решения;

5 этап - решение кейса - предложение одного или нескольких вариантов последовательности действий, указание на важные проблемы, механизмы их предотвращения и решения.

Сайт РКЦ (Российский квантовый центр) - Дайджесты новостей ( rqc.ru)