327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
24.04.2017


Кейс-урок «Черные дыры»
Кейс-урок «Черные дыры»

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 8 +

Тема: Непознанное и новые науки

Цель: Заглянуть в будущее и раскрыть тайны «технологий из завтра»

Какая информация меня здесь ждет?

  • Какие современные научные идеи, открытия и гипотезы помогают человечеству «сделать шаг в будущее»?
  • Как «услышать» черную дыру?
  • Открывают ли сейчас новые химические элементы и материалы?
  • Можно ли вырастить лес в пустыне?
  • Какие фундаментальные и практические знания мне пригодятся?
  • Каким будет искусство будущего?
6 разверток по предметам, явлениям и практикам:
Вступление

Можно ли заглянуть в будущее не только в фантастических фильмах или со страниц фантастики? Можно, просто для этого нужно поинтересоваться передовыми технологиями и открытиями. Именно они – флагманы, ведущие флотилию нашей жизни в порт будущего.

Изучая их, можно увидеть пути, по которым будет идти развитие науки и технологии.

 

Тогда не мешкаем в «сегодня», а отправимся вперед, в будущее!

Физика

В 2015 году ученые впервые наблюдали «рябь» в ткани пространства-времени. Такая «рябь» называется гравитационными волнами. В тот момент они достигли Земли, а зародились в далекой Вселенной в результате катаклизма – слияния двух черных дыр. Это слияние длилось доли секунды и привело к появлению одной вращающейся черной дыры.

Такое столкновение черных дыр было предсказано теоретически, но практически никогда ранее не наблюдалось. В основе предсказаний лежало предположение из теории относительности Альберта Эйнштейна, высказанное еще в 1915 году.

Что собой представляет черная дыра? Это тело с огромной массой, сконцентрированной в малом объеме. Размер такого тела меньше, чем гравитационный радиус. Гравитационный радиус пропорционален массе тела m и равен:

 

Поэтому никакой сигнал с такого тела распространяться не может, даже фотоны. Ведь пространство искривляется и «замыкается» вокруг черной дыры.

Ученые зафиксировали сигнал с помощью двух детекторов, которые расположены в двух штатах в США Луизиане и Вашингтоне на расстоянии около 3 тысячи километров.

Им удалось оценить, откуда и с какого расстояния пришел этот сигнал. Оценки показывают, что сигнал пришел с расстояния, которое составляет 410 Мегапарсеков. Мегапарсек – это расстояние, которое свет проходит за три миллиона лет.

 

При сближении черных дыр увеличилась частота их волн. Если перевести ее в частоту, приемлемую для человеческого слуха, получатся звуки подобные птичьему пению. Ученые так и называют эти звуки – трелями.

Обнаружить гравитационную волну ученым из международного проекта LIGO удалось 14 сентября 2015 года, и это стало значительнейшим событием в физике за последние 100 лет. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) - это международный проект, в котором принимают участие ряд государств, осуществивших определенный финансовый и научный взнос, в частности США, Италия, Япония, которые являются передовыми в области этих исследований.

Гравитационная волна распространяется в пространстве-времени, деформируя вдоль осей все объекты, которые встречает на пути. Но эти деформации очень незначительны: порядка 10^-21. Для измерения таких величин применяются специальные гравитационные детекторы – гравитационные антенны.

 

Антенна, которая зафиксировала гравитационные волны, устроена так: использовано две трубы, примерно по 4 километра в длину, расположенные в форме буквы "Г", но с одинаковыми плечами и под прямым углом.

Когда на систему падает гравитационная волна, она деформирует плечи антенны. В зависимости от ее ориентации, она деформирует одно больше, а второе – меньше, возникает разность хода. Интерференционная картина сигнала меняется – возникает суммарная положительная или отрицательная амплитуда. И только очень точные технологии и системы позволяют измерить такое микроскопическое смещение плеч, вызванное гравитационной волной.

В современном мире отсутствует возможность управления искусственным гравитационным полем. Однако в будущем все это может воплотиться в реальности, и о чем говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review D Андре Фузфа (Andre Fuzfa), профессором из университета Намюра (Namur University), Бельгия.

В статье приведено математическое теоретическое обоснование метода создания гравитационных полей при помощи магнитных полей. А вот создание и управление таким типом полей освоено человечеством в достаточно хорошей степени. Основой математического аппарата выдвинутой теории являются наблюдения, показывающие, что сильные магнитные поля искажают пространственно-временной континуум практически так же, как и гравитационные поля.

Теоретически, устройство – генератор искусственного гравитационного поля, может быть основано на технологиях электромагнитов со сверхпроводящими обмотками (технологиях, использующихся в Большом Адроном Коллайдере). Похожее устройство будет и в реакторе термоядерного синтеза ITER, строительство которого ведется сейчас на юге Франции.

Используя такой генератор, можно будет реализовать на практике некоторые из технологий, являющиеся сейчас лишь предметом научной фантастики: гравитационные двигатели и коммуникации на основе гравитационных волн. При помощи таких коммуникационных технологий можно будет держать прямую связь между двумя точками в разных уголках земного шара или находящихся на разных планетах, на любых расстояниях и несмотря на любые препятствия между этими точками.

Задание:


Попробуйте придумать свой вариант использования гравитационных полей. Для чего человечеству пригодилось бы использование искривления пространства-времени гравитационной волной?
Химия
Открывают ли новые химические элементы в современном мире? Открывают!

В 2016 году в периодическую систему добавили четыре новых химических элемента, тем самым завершив ее 7 ряд.

 

Элементы были официально верифицированы Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Открывателями 113-го элемента признаны ученые из японского Института естественных наук (RIKEN). В честь этого элемент получил название японий. Право придумать названия остальным новым элементам принадлежит их первооткрывателям, на что отводится пять месяцев, после чего их официально утвердит совет IUPAC.

 

ИЮПАК присудил честь открытия 115, 117 и 118-го элементов команде российских и американских исследователей из Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии.

Все четыре новых элемента были синтезированы искусственно. В природе, как правило, наблюдаются химические элементы с атомным номером (количеством протонов в ядре) не выше 92 (уран). Элементы с количеством протонов от 93 до 100 можно получить в реакторах, выше 100 — на ускорителях частиц.

Последний раз периодическая таблица расширялась в 2011 году, когда были добавлены 114-й и 116-й элементы, названные флеровием и ливерморием:

 

А какая страна – лидер по открытию больше всего химических элементов? Статистику по открытию новых элементов можно визуализировать так:

 

Сколько химических элементов вообще можно получить? Теоретически предсказывается возможность синтеза элементов с номерами 121-126. Проблема нижней границы таблицы Менделеева остаётся одной из важнейших в современной теоретической химии.

Из элементов периодической системы, которые встречаются на Земле, только для 75 имеются точно и общепризнанно установленные авторы их открытия (обнаружение или идентификация).

В открытии (выделение в чистом виде) этих химических элементов участвовали представители всего лишь нескольких стран: Швеция (22 элемента), Англия (19 элементов), Франция (15 элементов), Германия (12 элементов). На Австрию, Данию, Россию, Швейцарию и Венгрию приходится открытие остальных 7 элементов.

Иногда указывают Испанию (платина) и Финляндию (иттрий - В 1794 году в шведском минерале из Иттербю финский химик Юхан Гадолин обнаружил оксид неизвестного элемента). Но платина, как благородный металл, была "известна" в самородном виде с древних времён – в чистом виде из руд платина была получена английским химиком У.Волластоном еще в 1803 г. А металлический иттрий впервые получил в 1828 г. немецкий ученый Фридрих Велер.

Рекордсменом среди "охотников" за химическими элементами можно считать шведского химика К. Шееле – он открыл 6 элементов: фтор, хлор, марганец, молибден, барий, вольфрам. К находкам этого учёного можно добавить ещё и седьмой элемент – кислород, честь открытия которого он официально делит с Дж. Пристли (Англия).

Второе место в открытии новых элементов принадлежит шотландскому ученому В.Рамзаю: аргон, гелий, криптон, неон, ксенон.

А «открывают» ли сейчас новые материалы? Да, открывают! Подтверждение этому – графен.

Графен — это материал, созданный из углеродных листов толщиной в один атом, накладываемых друг на друга и имеющих гексагональную структуру. Вот только секционирование листов заставляет атомы углерода становиться нестабильными по краям этих листов.

 

Где и как его планируют применять (или уже применяют)?

Для тепловизоров. Технологию тепловидения чаще всего можно встретить в специальных устройствах, которые помогают полиции, а также поисково-спасательным командам и военным вести наблюдение за плохими парнями, или же жертвами через стену или в полной темноте.

Однако лучшие такие приборы требуют использования систем криогенного охлаждения, что делает их очень тяжелыми, дорогими и совсем непрактичными. Используя графен исследователи из Массачусетского технологического института создали чип, который сможет раз и навсегда решить все эти проблемы.

 

Одним из полезных свойств графена является его чувствительность к инфракрасному излучению, поэтому команда ученых создала на его базе микроскопический сенсорный чип и небольшой прототип устройства. При этом для охлаждения этого чипа не потребовалось использования специальных систем охлаждения. Вместо этого ученые изолировали чип от остальных частей устройства.

Со слов Томаса Палациоса, одного из создателей данного чипа, его можно будет использовать для сборки достаточно компактных сенсоров, которые можно будет уместить в любой смартфон, планшет или ноутбук.

Солнечный парус из графена. К такому открытию ученые пришли случайно, когда проводили исследование так называемых графеновых губок — смятых между собой графеновых пластов толщиной в один атом углерода. Ученые поместили графеновую губку в вакуумную среду и направили на нее лазеры с различной длиной волн и интенсивности.

В результате этих манипуляций лазеры подвинули кусочки губки на расстояние 40 сантиметров. Для закрепления результатов эксперимента исследователи постарались провернуть тот же трюк, но с использованием обычных солнечных лучей, направленных на губку с помощью линз. Эксперимент оказался успешным.

Согласно одной из предложенных теорий, из графена можно будет построить нечто вроде солнечного паруса. Фотоны света, как известно, обладают движущей силой. И передают они эту силу в любой объект, с которым сталкиваются. Если учесть результаты эксперимента с графеновыми губками, то этой силы будет вполне достаточно для того, чтобы двигать вперед космический корабль (при соответствующем размере паруса).

 

Дисплеи на основе графена. Научные сотрудники Манчестерского университета объявили о создании гибкого LED-дисплея на основе графена, доказав тем самым, что двумерные материалы тоже вполне подходят для создания гибких прозрачных дисплеев. Такие дисплеи планируют в более энергоэффективных электронных устройствах.

 

А химики из Южной Кореи и Японии разработали технологию, которая позволила им впервые получить прямоугольный лист графена с диагональю 75 сантиметров.

Ученые выращивали графен на больших листах медной фольги методом химического осаждения из паровой фазы (один из двух стандартных методов получения графена), а потом при помощи валика раскатывали медно-графеновые листы по слою специального высокоадгезивного (хорошо «прилипающего») полимера.

 

На следующей стадии процесса медь вытравливалась, а графен с «липким» полимером, также с использованием валика, наносился на конечный субстрат. Исследователи удаляли адгезивный полимер нагреванием и в итоге получали большие листы графена.

Задание:


Подумайте, поищите информацию, где можно применить новый материал – графен? Есть ли еще подобные «материалы будущего»? Используя собранную информацию, подготовьте презентацию или сообщение на эти темы.
Биология/Биотехнология
Можно ли выращивать органы для трансплантации? Конечно, можно! – ответит современная биотехнология. Используя трёхмерные клеточные культуры (3D cell culture) учёные научились выращивать "затравки" органов названные органоидами, (не путайте с органеллами клеток!).

Органоиды используются учёными для изучения и моделирования органогенеза; моделирования опухолей и различных заболеваний, которым могут быть подвержены определенные органы; тестирования и скрининга различных лекарственных препаратов и токсичных веществ; для экспериментов по замене органов или терапии повреждённых органов трансплантатами.

 

Можно использовать стволовые клетки, можно использовать их модификацию - плюрипотентные клетки. Можно «распечатать» органы:

Еще органы можно выращивать внутри самого тела. Американские исследователи нашли альтернативу пересадке донорских органов, которая должна решить проблему их нехватки. Например, у мыши можно вырастить новую почку. Такой эксперимент был проведен в США, в университете Сент-Луиса, где исследователь Марк Хаммерман пересадил клетки почки в брюшную полость нескольких мышей и в результате получил отлично работающий орган.

По словам Хаммермана на Американском съезде по трансплантологии в Бостоне, органогенез, т.е. развитие органов в живом организме, в будущем может стать альтернативой пересадке донорских органов и решить проблему их нехватки.

Экология

Согласно легендам и теориям ученых обширные пустынные места нашей планеты когда-то были плодородными землями. Именно хозяйственная деятельность человека, несовершенство старинных технологий, невозможность долгосрочного прогноза результатов этой деятельности, и привели к опустыниванию некогда зеленых и благодатных мест.

Мы знаем Сахару только как пустыню, царство бесконечных барханов и дюн. Сочетание неблагоприятных климатических изменений и последствие ведения сельского хозяйства методами, которые не давали возможность почве успеть восстановиться, и привели к ее образованию. Древние поселения, которые процветали здесь еще в IV веке до нашей эры, погребены теперь под слоем песка.

Но существуют ли технологии, способные вернуть зеленый покров и жизнь пустыням? Ведь вырубка лесов критически влияет на экологическое равновесие в биосфере, на процессы самоочищения атмосферы, на водный баланс планеты. Можно ли вырастить новые леса в пустынях, чтобы продвинуться в решении этих проблем?

 

Голландский изобретатель Петер Хофф разработал инновационное устройство Groasis Waterboxx, которое позволяет выращивать растения в самых экстремальных условиях. Даже в Сахаре выживает 90 % высаженных растений.

За последние пять лет благодаря этому устройству было высажено 55.000 деревьев на мертвых участках.

Высаженные деревья могут стать новым источником «зеленой» энергии.

Согласно «свежайшим» исследованиям инженеров из Лаборатории звука и вибрации штата Огайо (США), движение деревьев под действием ветра производит вибрации, которые успешно преобразуются в чистую энергию.

 

В настоящее время тестируется модель – пьезоэлектрические балки, обернутые поливинилидентфторидом (пьезоэлектрический материал, который при деформации вырабатывает электрический ток).

Модель имитирует незначительные колебания, как под действием ветра. Лабораторная установка смогла выдать напряжение около 2 вольт. Впереди натурные исследования и эксперименты в реальных лесах. Возможно и в тех, которые высадят в пустынях, где дуют постоянные ветра.

Информатика/Технологии/Интеллект

Фантасты уже давно эксплуатируют тему слияния человека и компьютера. Средство для достижения этого – нейроинтерфейсы.

В каком-то смысле нейроинтерфейсы уже существуют. Люди, страдающие от паралича, уже много лет используют их, чтобы говорить через компьютер. Технология работает еще не так хорошо, как могла бы, но уверенно развивается.

Это означает, что в какой-то момент вам больше не понадобится мышь или клавиатура. Вы сможете просто думать о чем-нибудь — и это будет происходить на экране. Это очень многообещающая технология для инвалидов, людей, которые хотят повысить свою продуктивность, и геймеров.

Исследователь Филлип Кеннеди имплантировал первый BCI (человеко-компьютерный интерфейс) в пациента Джонни Рэя, парализованого после инсульта еще в 1998 году. В результате имплантации Рэй научился двигать курсором.

25-летний Мэттью Нейгл с помощью вживлённого устройства в 2004 году получил возможность управлять курсором на экране, читать электронную почту, играть в несложные видеоигры и даже что-то рисовать. Ещё он научился переключать каналы и громкость телевизора и шевелить электромеханической рукой.

Уже в 2008 году появился первый коммерческий нейроинтерфейс в продаже.

А вот следующим шагом можно считать BioRadio. BioRadio —прибор, который можно использовать в нейронауках, маркетинге, экономике, этике, лабораториях многих профилей, для управления роботами (или другими приборами), для медицинских исследований и диагностики. Цена прибора соразмерима с ценой 3d-принтера, а размер с размером архаичного кассетного плеера.

Это устройство — полноценная психофизиологическая лаборатория, которая позволяет управлять роборукой (как сигналами от ЭЭГ, так и миограммой), отслеживать сердечный ритм, плетизмограмму (изменение объема легких), сопротивление кожи и многое другое.

 

Но и у этой технологии появляются конкуренты. Например, нейропыль. Группа из Калифорнийского университета в Беркли предложила способ уменьшить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и буквально наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.

Разработанные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры состоят из выполненной по технологии CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки.

 

По замыслу авторов, частицы нейропыли свободно циркулируют в кровеносном русле. Практически этого трудно достичь из-за сложного состава крови, биологических механизмов её очистки и структуры эндотелия, но ученые работают над решением этой проблемы.

Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любой момент времени может исчисляться тысячами.

Каждая из этих «умных частиц» сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. Во время первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы.

Во время второй он действует наоборот — вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов, передавая сигнал.

Другой суперсовременный вариант – нейротату. Такие тату разработали учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Компоненты нейротату расположены на площади всего 1x2 сантиметра: транзисторы, антенна, катушки, температурные датчики, фотодетекторы, сенсоры ЭЭГ, ЭКГ и ЭМГ. Соединительные контакты сделаны из кремния и арсенида галлия.

 

Этот высокотехнологичный «бутерброд» имеет толщину в 40 микрон, а для крепежа используется подложка изготовленная из полиэстера. Точно такую используют на переводных татуировках для детей.

В настоящее время тату-датчик способен непрерывно собирать данные в течение 6 часов и находится на теле до одних суток, при этом главной задачей исследователи сейчас является увеличить эти показатели.

В первую очереди нейротату заинтересовались хакеры и геймеры.

Задание:


Придумайте варианты использования нейроинтерфейсов с современном мире. Подумайте, хотели бы вы сами использовать такой и для чего? Ответы можете оформить в виде сообщения, презентации, эссе.
Искусство

Невообразимое искусство, невероятное, высокотехнологичное, рожденное при взаимодействии науки, технологии и фантазии человека! Умение увидеть прекрасное не просто в обыденном, а в том, что скрыто от обычного человеческого зрения. Искусство, где вместо кисти электронный микроскоп, вместо моделей – физические, химические и биологические процессы, протекающие в окружающем нас мире. Это – искусство будущего.

NanoArt (НаноАрт) - это новый вид искусства, связанный с созданием художниками скульптур (композиций) нано-размеров (от 10^-6 до 10^-9) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученный nano-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий (раскраска в причудливые цвета) в графическом редакторе.

Например, картина Терезы Майерус «Глаз науки»:

 

В отличие от микрофотографий, NanoArt - это 3D-искусство, которое передает атмосферу картины через цвет и объем.

С 2007 года проводится он-лайн конкурс наноискусства: nanoart21.org

Самый известный представитель этого направления – румынский художник Крис Орфеску.

 

А вот, например, картина Ренаты Спьяцци «Наноглубины», которая была создана при наложении перекрывающихся фракталов с помощью программы Apophysis.

 

Вопрос:


Хотели бы вы посетить выставку картин такого жанра? Какие еще современные направления искусства вам известны? Можно ли, по вашему мнению, их считать искусством будущего?
Подведение итогов урока-кейса

Наименование

Содержание

1

Результаты урока-кейса можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2

http://liga.net/

http://news.liga.net/articles/society/9000945-gravitatsionnye_volny_samoe_vazhnoe_o_kolossalnom_otkrytii.htm

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

http://black-cat.in.ua/ychenye-poka-tolko-v-teorii-nashli-sposob-sozdaniia-iskysstvennyh-gravitacionnyh-polei

https://www.proza.ru/2014/09/22/1916

http://hi-news.ru/tag/grafen

http://5klass.net/khimija-11-klass/Nanotekhnologii-v-khimii/016-Grafen.html

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2

<a href="http://liga.net/">Источник</a>

http://news.liga.net/articles/society/9000945-gravitatsionnye_volny_samoe_vazhnoe_o_kolossalnom_otkrytii.htm

http://black-cat.in.ua/ychenye-poka-tolko-v-teorii-nashli-sposob-sozdaniia-iskysstvennyh-gravitacionnyh-polei

https://www.proza.ru/2014/09/22/1916

http://hi-news.ru/tag/grafen

http://5klass.net/khimija-11-klass/Nanotekhnologii-v-khimii/016-Grafen.html

http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/khimikam-iz-yaponii-yuzhnoi-korei-udalos-v-desyatki-raz-uvelichit-razmer-lista-grafena

http://transplantology.info/content/view/13/30/

http://sitekid.ru/planeta_zemlya/pravda_li_chto_sahara_ne_vsegda_bila_pustiney.html

http://ecotown.com.ua/news/Nova-tekhnolohiya-dozvolyaye-vyroshchuvaty-lisy-navit-u-pusteli/

http://thekievtimes.ua/tech/446762-futuristicheskie-izobreteniya-gotovye-vojti-v-nashu-zhizn-foto.html

http://arxiv.org/pdf/1307.2196v1.pdf

5

Локация проведения урока-кейса

Урок – кейс проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задание для них:

Выберите одно из направлений развития современной науки и технологии, которые рассмотрены в развертках. Попробуйте представить свой «концепт виденья», как эти технологии будут применяться на практике.

Подготовьте презентацию по результатам работы и проведите «научно-практическую мини-конференцию» с представлением ваших концептов. Креатив и смелость приветствуются!

7

Домашнее задание

Соберите информацию об одной из передовых технологий современности или перспективном направлении исследований. В чем их практическое значение, а в чем научная ценность?

Подумайте, всегда ли научная ценность и практическое значение «соседствуют» в исследованиях? Подготовьте «научное сообщение» по результатам вашей работы. Образцы, как оно должно выглядеть, можете «подсмотреть» в научных журналах или научных интернет-изданиях, порталах.

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно.

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

  • Расширить и систематизировать знания о современных представлениях про мир и Вселенную, природе простарнства-времени и новейших технологиях.
  • Умение быстро найти необходимую информацию по теме.
  • Получение комплексного виденья природных явлений и закономерностей.
  • Виденье прикладных аспектов современнейших исследований,  путей и способов воплощения новейших открытий в жизнь
  • Получение знаний по химии,  физике, биологии и других разделах.

 

11

Теги:

Черная дыра, гравитационная волна, химический элемент, графен, биотехнология, нейроинтерфейс, наноискусство

12

Авторы:

Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в апгрейде кейса:

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середнього розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!