Роль физики в природоохранной работе с учащимися

Слово «экология» происходит от греческих слов «ойкос"-дом и «логия"-наука и означает буквально «учение о доме», т. е. о местообитании. В настоящее время принято такое определение экологии: экология — это «наука об отношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой».

Элементы среды, оказывающие существенное влияние на живой организм, называются экологическими факторами. Они составляют две основные группы: абиотические (факторы неживой природы) и биотические (связанные с влиянием живых существ). Среди абиотических факторов выделяют:

эдафические; к ним принадлежит вся совокупность физических и химических свойств почвы (структура, химический состав, циркуляция в ней веществ — газа, воды, органических и минеральных соединений и др.); ими определяется жизнедеятельность организмов, обитающих в почве;

гидрофизические и гидрохимические — те, что определяют физические и химические свойства воды;

климатические (температура, влажность, атмосферное давление, свет, ветер, грозы и т. п.).

Под так называемыми естественными экологическими факторами подразумевают тела, процессы и явления, которые существовали до появления людей и которые к настоящему времени мало изменены или совсем не изменены человеком. (В случаях же существенного качественного изменения естественного по происхождению фактора его называют антропогенным.).

На современном этапе взаимодействия природы и общества понятие «естественный фактор» во многих случаях имеет относительный характер, поскольку каждый такой фактор в той или иной степени испытывает на себе антропогенные воздействия даже в районах, где человек не проживает. Например, солнечная радиация у поверхности Земли в любом ее регионе отличается сейчас от радиации, которая была до эпохи научно-технического прогресса, так как повысилась «запыленность» атмосферы, уменьшающая количество поступающей энергии, снижающая освещенность земной поверхности и задерживающая значительный процент ультрафиолетовых лучей.

Среди естественных факторов довольно много таких, которые, отрицательно действуя на объекты природы, наносят ущерб человеку. Как правило, это обусловлено не столько сущностью самого фактора, сколько его дозой. Так, небольшие регулярные дожди очень полезны для растений, но внезапные ливневые дожди опасны для них — в некоторых случаях они подмывают корни растений, ломают их; слабый ветер не оказывает вредного влияния, а буря валит деревья; обычный снегопад не вредит растениям, но обильное выпадение снега в теплую погоду грозит поломкой ветвей и молодых деревьев. Иногда один и тот же естественный фактор для одних объектов полезен, а другим наносит вред. Например, высокий снеговой покров улучшает условия зимней жизни грызунов и ночующих в снегу птиц, но ухудшает жизнь копытных.

Возможности защиты от пагубного воздействия естественных земных факторов имеются, о чем говорит, например, опыт охраны рыб от заморов в водоемах, защиты виноградников от градобоя, урожая от вредных насекомых, спасения наземных позвоночных в особенно суровые зимы, успешная борьба с размыванием берегов и пр.

Космические факторы (некоторые виды радиации, метеориты, лунное притяжение и пр.) тоже могут оказывать отрицательное влияние на земные природные объекты. Солнечная радиация, например, вызывает разрушение скальных образований, иссушение отдельных территорий, гибель растений и т. п. Метеоритные тела до сих пор не оказывали существенного влияния на Землю, хотя в истории планеты было два случая падения крупных метеоритов, вызвавших в месте падения — в Америке и Сибири — большие изменения в природе. Лунное притяжение вызывает на Земле приливы и отливы, которые разрушают берега водоемов, а в некоторых случаях обусловливают гибель попавших на сушу обитателей вод.

Из разнообразных естественных факторов земного происхождения, отрицательно влияющих на природные объекты, выделим те, которые связаны с физическими явлениями, а именно: землетрясения, оползни, сели, снежные лавины, потоки воды и перекатываемые ими камни, штормы, цунами, наводнения, ветры, бури, ураганы, смерчи, резкие колебания температуры, промерзание воды в водоемах, щелях скал, ливни, сильный снегопад, град, засуха, извержение вулканов, молнии.

Эти физико-метеорологические факторы могут иметь как местное значение, так и региональное, охватывая довольно обширные районы и нанося значительный ущерб окружающей среде. Например, горные обвалы и снежные лавины стирают с лица земли леса и губят животных, разрушают водохранилища, вызывают образование водоемов там, где они вредны, и т. п. В настоящее время причины их возникновения и механизм действия начинают изучаться с целью охраны населенных пунктов, берегов водохранилищ, посевов, домашних и диких животных и пр. Принимаются также меры к предотвращению оползней, обвалов, селей и снежных лавин.

Давно известно губительное влияние на живую природу необычных погодных условий (особенно ранних морозов, гололеда, бурь и ураганов, града и др.). Сейчас ведутся разнообразные исследования по выявлению признаков наступления тех или иных неблагоприятных погодных условий с тем, чтобы своевременно предупреждать о них население соответствующего района, по нейтрализации их последствий.

Катастрофическое влияние на природу оказывают такие мощные естественные факторы, как извержения вулканов и наводнения. Пока человечество не создало эффективных мер борьбы с ними. Последствия наводнений лишь несколько ослабляются регулированием стока вод, устройством дамб, насаждением лесов в верхних частях бассейнов рек. Способов борьбы с извержениями вулканов не существует вообще, но ведутся интенсивные исследования признаков, предшествующих и сопутствующих их началу, что имеет большое значение для разработки методов точного прогнозирования землетрясений.

Естественные факторы, неблагоприятно действующие на природу, постоянно взаимодействуют с антропогенными. В ряде регионов антропогенные факторы по своему действию значительно преобладают над естественными, определяя поэтому характер развития всей географической оболочки. Антропогенные физико-технические факторы классифицируют по следующим признакам:

По физической сущности: механические (давление колес и гусениц машин, взвеси в воде и воздухе, течения, рубка леса, препятствия движению рыб, вибрации, переворачивание пластов почвы и т. д.); физические (свет, электрические и магнитные поля, звуковые и радиоволны, переход веществ из одного состояния в другое, изменение влажности и т. п.).

По длительности действия: действующие лишь в момент существования (электрическое поле, радиои световые волны, шумы и др.); кратковременные (дождевание, полив, загрязнение почвы быстроиспаряющимися веществами и пр.); длительные (радиоактивное загрязнение).

По способности к аккумуляции в природе: неаккумулирующиеся (звук, вибрация, радиоволны, электрические и магнитные поля, снег и др.); кратковременно аккумулирующиеся и вследствие этого усиливающие свое воздействие (например, запыление атмосферы); аккумулирующиеся (радиоактивные долгоживущие вещества).

По способности к миграции: немигрирующие (действующие в месте возникновения и на небольшом расстоянии от него вибрация, давление и т. д.); мигрирующие с токами воды и воздуха (пыль, тепло и пр.) и средствами передвижения (судами, самолетами, тракторами, автомашинами), а также людьми.

По масштабам охватываемого пространства: действующие только в месте производства; охватывающие небольшие районы; распространяющие действие на огромные регионы, а иногда (например, в случае радиоактивных долгоживущих веществ) на всю планету.

По видам деятельности человека: энергетическая промышленность (теплои гидроэнергетика, приливно-отливная, ветро и гелиоэнергетика, ядерная энергетика): обрабатывающая промышленность (металлургическая, металлообрабатывающая, текстильная, пищевая и т. д.); транспорт; связь; химическая промышленность; военная промышленность.

Перечисленные факторы среды могут оказывать на живые организмы воздействия разного рода и выступать в качестве раздражителей, вызывающих приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; ограничителей, обусловливающих невозможность существования в данных условиях; модификаторов, вызывающих анатомические и морфологические изменения организмов; сигналов, свидетельствующих об изменениях других факторов среды.

Из анализа экологических факторов следует, что многие из них (температура, влажность, освещенность и др.) являются физическими величинами и понятиями, что и определяет важность физических знаний для решения экологических проблем. Действительно, становление любой биологической структуры и ее функций зависит, прежде всего, от той физической среды, в которой обитает живой организм. Например, для того чтобы быстро плавать в воде, обладающей вязкостью и плотностью, рыбы должны иметь обтекаемую форму, предписываемую законами гидродинамики.

Физическая среда и биологический мир в сочетании друг с другом образуют некую крупную систему — экосистему, в пределах которой необходимые для жизни вещества совершают непрерывный круговорот между почвой, воздухом и водой, с одной стороны, и между растениями и животными — с другой. Изменения физических параметров среды обязательно приводят, в конечном счете, к изменениям в биологическом мире.

Приспособительные изменения, возникающие в процессе индивидуального развития и эволюции вида, дают возможность растениям и животным реагировать защитно на перемены в окружающей среде, причем их — реакция часто связана с физическими процессами. Так, птица при полете должна непрерывно расходовать энергию для того, чтобы, преодолевая силу земного притяжения, удерживаться в воздухе. Она черпает эту энергию из внутреннего источника — из поглощенной ею пищи, а производимая птицей работа направлена на достижение полезной для нее цели преследование добычи, бегство от хищника или миграция. Благодаря способности рассеивать тепло при помощи таких чисто физических процессов, как испарение, теплопроводность и излучение, растения и животные предохраняют себя от перегрева. «Жизнедеятельность организмов в свою очередь оказывает влияние на физическую среду, и нередко очень существенно; например, кислород поставляется в атмосферу главным образом растениями в процессе фотосинтеза. Не менее важно воздействие растений на свойства почвы (рост корней способствует ее измельчению) или на движение воды (ее испарение с листьев способствует удержанию влаги в данной местности, так как большая часть водяных паров быстро конденсируется и выпадает поблизости в виде дождя). Бактерии и грибы ускоряют выветривание горных пород: они выделяют кислоты, растворяющие минеральные вещества, которые затем вымываются из породы, что приводит к ослаблению ее кристаллической структуры и ускорению ее разрушения. В структуре и функциях экосистемы воплощены все виды активности организмов, входящих в данное биологическое сообщество, — их взаимодействие с физической средой и друг с другом, что служит результатом адаптации живой системы к природным условиям.

Роль физики в понимании биосферы как целостной динамической системы определяется следующими обстоятельствами:

земля, вода, воздух и т. д., входящие в биосферу Земли, являются объектами изучения физики и других естественных наук;

многие процессы, протекающие в биосфере, их устойчивость зависят от физических свойств этих объектов, а также физических свойств других элементов биосферы;

в биосфере в тесной связи с биологическими и другими процессами протекают и физические (тепловые, электромагнитные, радиоактивные и т. д.).

Комплексный и интегральный характер экологических проблем не позволяет раскрыть их перед учащимися средних школ в полной мере. Тем не менее, содержание программного материала курса физики дает возможность познакомить школьников с рядом идей, раскрывающих физико-технический аспект современного экологического кризиса и путей его преодоления. Это связано с тем, что:

• ?физика изучает наиболее общие и фундаментальные закономерности природы, которые лежат в основе правильного, диалектико-материалистического понимания всей природы в целом. Это дает возможность в процессе обучения физике последовательно раскрывать перед учащимися многообразие, взаимосвязь, взаимообусловленность и целостность явлений и процессов, протекающих в природе;
• ?физика является ядром современной научно-технической революции; ее достижения лежат в основе современных технологий. Это позволяет показать ученикам все возрастающие масштабы воздействия человека на природу, ряд социальных последствий этого воздействия в условиях социалистического и капиталистического общества и решение современных проблем защиты окружающей среды от загрязнения;
• ?физика в настоящее время возглавляет науки о природе; все они пользуются ее терминологией, приборами и методами исследований. Поэтому при обучении физики есть возможность ознакомить учащихся с современными методами изучения природы и ее охраны, обобщить полученные ими знания на уроках по другим предметам естественно-математического цикла. Одна из важнейших задач школьного курса физики — развить у учащихся научный подход к явлениям и процессам природы, сформировать у них умения и навыки проведения научного эксперимента. Это даст возможность выработать у школьников умения, важные для изучения и решения доступных им физико-экологических задач.

В основу отбора содержания экологических знаний, с которыми учащиеся должны быть ознакомлены при изучении физики, положен системный подход к пониманию биосферы и места человека в ней. Наряду с этим учтено, что:

экологические сведения должны быть логически связаны с содержанием курса физики; их использование направлено на конкретизацию и углубление физических знаний;

включаемые в рассмотрение экологические материалы должны удовлетворять принципу научности, способствовать развитию у учащихся диалектико-материалистического взгляда на природу, пониманию последствий процесса воздействия человека на окружающий мир в условиях социалистического и капиталистического общества;

изучаемые вопросы должны быть доступны для усвоения, учитывать возрастные особенности мышления учащихся, их опыт, активизировать их умственную деятельность, способствовать развитию ассоциативного мышления.).

При этом представляется возможным выделить следующие опорные экологические понятия, которыми должны овладеть учащиеся при обучении физике, с целью формирования у них знаний о биосфере как о целостной системе:

земля, вода, атмосфера как элементы единой системы-биосферы, их основные физические свойства;

физические факторы природной среды и их параметры;

роль физических факторов и параметров в протекании физических, химических, биологических процессов в биосфере;

допустимые нормы физических параметров для различных биосферных явлений, объектов и процессов;

физическое загрязнение окружающей природной среды (т.е. отклонение физических параметров среды от нормы).

Основными физическими факторами биосферы и их параметрами являются те физические понятия и величины, которые на данном этапе развития науки отражают основные индивидуальные и общие физические свойства, присущие твердым, жидким у и газообразным веществам, и обменные физические процессы между ними (на уровне мельчайших частиц, молекулярном и атомном).

К физическим величинам, характеризующим свойства твердых, жидких и газообразных веществ, относятся: давление, плотность, сжимаемость, коэффициент Пуассона, модуль упругости, предел прочности, температура, удельная теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, теплопроводность, теплота сгорания, температура плавления, удельная теплота плавления, поверхностное натяжение, вязкость, температура кипения, удельная теплота парообразования; диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, магнитная проницаемость, показатель преломления среды, коэффициенты поглощения и отражения света, атомный номер и заряд ядра, главное квантовое число, максимальное число возможных электронных состояний, термы атомов, константы ионизации, период полураспада.

К физическим величинам, характеризующим обменные процессы, относятся: концентрация, коэффициент диффузии, абсолютная и относительная влажность, плотность тока, плотность потока элементарных частиц.

Физические параметры полей, пронизывающих биосферу, таковы: гравитационное поле—ускорение свободного падения; электрическое поле—напряженность, потенциал; магнитное поле—магнитная индукция; электромагнитные волны—длина волны, плотность потока электромагнитного излучения.

Со многими названными понятиями и величинами учащиеся знакомятся при изучении физики. Давая им экологическую трактовку, нужно, однако, иметь в виду следующее. Во-первых, степень влияния некоторых параметров на биосферу наукой пока не установлена или только изучается; во-вторых, влияние на живую природу ряда физических факторов определено только для узких интервалов соответствующих параметров. В этой связи известный американский физик В. Ф. Вайскопф отмечает, что «мы стоим перед сложной путаницей физических, химических, биологических причин и следствий, многие из которых понятны лишь отчасти. Потребуется провести множество тщательных фундаментальных исследований, прежде чем можно будет эффективно приняться за решение этих проблем Учитывая все вышеизложенное, можно выделить следующие основные физические факторы и параметры природной среды, с которыми желательно ознакомить учащихся в курсе физики с целью их экологического образования. К ним относятся: сила тяжести (ускорение свободного падения), давление, температура, теплоемкость и удельная теплоемкость, влажность воздуха (абсолютная и относительная), поверхностное натяжение жидкости, электрическое поле (напряженность, потенциал), магнитное поле (магнитная индукция), вибрация (частота, интенсивность), звук (амплитуда, частота, интенсивность), электромагнитное излучение различных частот: низкочастотное, радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское (длина волны, плотность потока электромагнитного излучения), радиоактивность (энергия излучения, период полураспада, доза излучения).

С точки зрения экологического образования задача заключается в том, чтобы при обучении физике была раскрыта роль перечисленных выше понятий и величин как важных физических факторов и параметров протекания различных процессов в биосфере, выяснены их допустимые нормы.

Развитие энергетики, транспорта, промышленности в эпоху научно-технической революции привело к сильному загрязнению биосферы и большим отклонениям от нормы ее основных параметров, что неизбежно ведет к изменению законов функционирования как ее отдельных биологических систем, так и всей биосферы в целом, к подрыву ее способности к самостабилизации и самоочищению. Поскольку именно физика открывает законы природы, используемые техникой в процессе производства материальных благ, эту связь физики и техники важно раскрыть с природоохранительной точки зрения.

При этом следует остановиться на таких моментах: что обрабатывается (материалы), чем обрабатывается (энергия), как обрабатывается (технология). Развитие техники и ее связь с физикой можно схематично представить таблицей 1, показывающей ступени познания и освоения окружающего мира человеком, масштабы воздействия его на природу.

Следовательно, в курсе физики могут быть раскрыты такие важные в экологическом отношении вопросы, как:

рациональное использование энергетических ресурсов: нефти, газа, угля, торфа и др.;

наиболее выгодные и безопасные для окружающей среды способы применения механической, внутренней («тепловой»), электрической и атомной энергии;

рациональное использование сырьевых ресурсов: водных, земельных, полезных ископаемых и пр.

Эти вопросы тесно связаны между собой, поскольку имеют общую научную основу—оптимизацию взаимодействия общества и природы в условиях интенсивного развития техники и современного производства. К ним непосредственно примыкают и такие вопросы:

физические методы защиты природной среды от загрязнений;

использование возобновляемых источников энергии (солнечного излучения, внутренней энергии Земли, энергии ветра, морских приливов и отливов).

При рассмотрении вопросов экологии ученики должны получить представление и о том, что проблема охраны природы не может быть решена только на основе достижений естественных наук и техники, изменений технологий производства, способов добычи сырья и его переработки в отдельных регионах нашей планеты.

Таблица 2.

Защита окружающего нас мира требует значительных материальных затрат, привлечения дополнительных трудовых ресурсов, законодательно-политических мер, объединения научных сил. Выработка общечеловеческих экологических целей и всемерное содействие их достижению — одна из неотложных задач современности и вместе с тем обширное поле совместной деятельности для государств с различным общественным строем — деятельности, укрепляющей контакты и сотрудничество между ними, которые только и могут действительно обезопасить Землю от последствий экологического кризиса.

Формирование ответственного отношения учащихся к природной среде в процессе обучения физике не ограничивается только овладением системой экологических знаний, оно еще связано с выработкой некоторых умений и навыков природоохранительного характера.

Исходя из современного содержания понятия «охрана природы» и состава экологических знаний в школьном образовании, можно выделить такие природоохранительные умения, которые следует сформировать и развить у учащихся при обучении физике:

измерять ряд основных физических параметров природной среды (температуру, влажность воздуха, освещенность и др.);

оценивать основные физические факторы и параметры для различных объектов, явлений и процессов, протекающих в биосфере, и их допустимые нормы;

выбирать рациональный способ применения природных ресурсов и различных видов энергии (механической, электрической и др.) в практической деятельности;

предвидеть возможные последствия своей деятельности для физического состояния окружающей среды и критически оценивать поступки отдельных людей при воздействии на нее;

оценивать физическое состояние природной среды, складывающееся под воздействием антропогенных факторов;

пропагандировать и содействовать использованию на практике физических идей и законов, лежащих в основе применения возобновляемых источников энергии, методов борьбы с различными видами загрязнений и оптимизации взаимодействия общества с природой.