327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
24.02.2017


Кейс - урок "Секреты воды"
Кейс - урок "Секреты воды"

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 8-11

Тема: Природные явления

Цель: Узнать, какие свойства и особенности делают воду аномальным веществом с точки зрения физики и химии, но абсолютно незаменимой с точки зрения биологии и здоровья

 

 

Какая информация меня здесь ждет?

  • Каковы свойства и особенности воды живого организма?
  • Почему вода считается аномальным веществом?
  • Какие фундаментальные и практические знания мне пригодятся?
  • Можно ли писать картины на воде и ваять из нее скульптуры?
  • Почему вода полезна не только для тела, но и для психики человека?
6 разверток по предметам, явлениям и практикам:

 

Вступление

 

Пока нас не мучает жажда, мы даже не задумываемся, о значение воды в нашей жизни. Тело человека в значительной мере состоит из воды, но мы редко оцениваем водную среду как «свою». Чем же отличается вода тела от воды в стакане, в дождевой капле, в реке? Какая вода для нас «правильная»? Почему некоторые ученые называют воду аномальным явлением? Попробуем «докопаться» до сути этих вопросов.

 

 

 

Физика

Привычная вода и в наше время подкидывает ученым сложно разрешимые вопросы. 

Какая вода замерзает быстрее: горячая или холодная?

Очевидный ответ - холодная - неверен! 

Эрасто Мпемба заметил, что в действительности горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, когда две массы воды подвергаются воздействию одинаковых условий с температурой ниже нуля. И никто не знает, почему. Единственное допущение – это что эффект Мпембы появляется в результате процесса циркуляции тепла под названием конвекция. В контейнере теплая вода поднимается вверх, вытесняя холодную и создавая «утепленный верх». Ученые предполагают, что конвекция может каким-то образом ускорить процесс охлаждения, позволяя более теплой воде замерзать быстрее, чем холодной, несмотря на то, сколько ртутного столбика ей нужно преодолеть до точки замерзания.

Полтора века научных исследований так и не дали ответ, почему на льду можно упасть. Ученые единогласны в том, что тонкий слой жидкой воды на верху твердого льда становится причиной скользкости, а подвижность жидкости затрудняет движение, даже если лед тонкий. Но нет согласия относительного того, почему лед в отличие от большинства твердых веществ имеет такой слой. Кое-кто считает, что именно процесс скольжения заставляет таять его поверхность. Другие считают, что жидкий слой существует еще до того, как появляется скользящий предмет, и что он образуется благодаря внутреннему движению молекул поверхности.

Как кипит вода в космосе? На Земле кипящая вода создает тысячи крошечных пузырьков пара. В космосе же создается один гигантский колеблющийся пузырь. В 1992 году не был проведен эксперимент на борту космического корабля. После этого физики решили, что упрощенный вид кипения в космосе, очевидно, связан с отсутствием конвекции и подъемной силы – оба этих явления образуются гравитацией. На Земле эти эффекты вызывают бурление, которое мы видим в чайнике.

Почему некоторые предметы способны удерживаться на поверхности воды, хотя они явно тяжелее нее и должны бы тонуть? Причина в силе поверхностного натяжения, свойстве, которое заставляет внешний слой массы воды (и некоторых других жидкостей) вести себя, как гибкая оболочка. Поверхностное натяжение возникает из-за того, что молекулы воды слабо связаны друг с другом. Благодаря этому молекулы поверхности испытывают внутреннее усилие от молекул под ними. Вода останется целостной, пока разрывающая ее сила не превзойдет силу этих слабых связей и не прорвет поверхность.

Например, на фото выше скрепка для бумаги лежит на поверхности воды. Хотя металл плотнее воды и потому должен утонуть, поверхностное натяжение не позволяет скрепке прорвать поверхность воды.

Почему снег способен закипеть за считанные секунды? Когда есть огромная разница температур между водой и внешним воздухом, происходит удивительный эффект – скажем, если вылить кастрюлю кипящей воды (100 градусов Цельсия) в воздух температурой минус 34 градуса Цельсия, то кипящая вода мгновенно превратиться в снег.

Объяснение таково: крайне холодный воздух очень плотный, расстояние между его молекулами такое маленькое, что не остается достаточно места для переноса водяного пара. Кипящая вода, с одной стороны, очень активно испускает пар. Когда ее кидают в воздух, она распадается на капельки, из-за чего появляется еще больше пространства для распространения пара. Это представляет собой проблему. Испускается больше пара, чем может удержать воздух, и потому он распределяется, закрепляясь на микроскопических частицах в воздухе, как сода или кальций, и формирует кристаллы. Именно так и образуются снежинки.

Кроме всего прочего, вода способна проявлять "аномальные" свойства, так как многие физические и химические параметры воды выпадают из общих закономерностей для веществ ее типа (ряд воды).

 

Чистая вода без примесей стала эталоном, точкой отсчета для шкал цветности, мутности, прозрачности и запаха.

 

Чистая вода безвкусна. Вкус придают ей примеси и растворенные вещества.

Вода обладает ТРОЙНОЙ ТОЧКОЙ – состоянием, при котором все три фазы (жидкая вода, пар и лед) могут существовать одновременно. Условия для этого – температура 273,16 К, давление 610 Па.

Часть ученых придерживаются теории кластеров для объяснения аномальных свойств воды: так как молекула воды полярная, то отдельные молекулы могут самоорганизовываться в кластеры (упорядоченные структуры из нескольких молекул одного и того же вещества). Кластеры дают, в свою очередь, псевдо кристаллическую структуру, что и объясняет аномальные, как для жидкости, свойства.

 

На кластерной теории строятся и объяснения феномена памяти воды. Но это исследования «на пике» науки, потому они являются во многом дискутивными.

Вопрос:


Встречали ли вы воду в трех состояниях одновременно (тройная точка воды)?

 

Химия

Какая бывает вода? Ответ «жесткая и мягкая» иногда вызывает недоумение. Но именно таковы обычные названия воды, содержащей в себе примеси определенного состава.

Жесткость (твердость) воды зависит от содержания в ней солей щелочноземельных металлов, главным образом кальция и магния. Вы замечали, как иногда руки моешь долго, а они все равно "как мыльные"? А иногда моешь быстро с ощущением, что они уже чистые.

 

Вода вступает практически во все типы химических реакций. Она может выступать в качестве реагента, среды реакции и даже катализатора. Некоторые химические реакции могут протекать только при наличии «следов воды» - то есть запускаться при ничтожно малом количестве этого необыкновенного вещества.

Рассмотрим по порядку основные типы реакций, в которых может участвовать вода.

1. Взаимодействие с металлами. Это достаточно бурный тип реакций, проходящий с выделением водорода:

 

 

Пример взаимодействия натрия с водой:

2. Взаимодействие с неметаллами. Так как это вещества с меньшей активностью, то для протекания реакций необходимо нагревание. Например реакция с образованием угарного газа:

 

3. Взаимодействие с оксидами металлов и неметаллов. Стоит отметить, что это именно реакции соединения, а не окислительно-восстановительные реакции. Например, реакция с образованием серной кислоты:

 

Те оксиды, которые не реагируют с водой, стали основой для водостойких красок: оксид хрома, оксид цинка.

4. Взаимодействие с электрическим током. При этом вода распадается на водород и кислород, идет внутренняя окислительно-восстановительная реакция (процессы окисления и восстановления протекают только за счет ионов водорода и кислорода самой воды):

 

5. Образование гидратов и кристаллогидратов:

 

 

6. Еще один важный тип взаимодействия – биосинтез с образованием кислорода:

 

Эта реакция является фрагментом процесса фотосинтеза

Существуют и обратные реакции, когда взаимодействуют некоторые вещества, и одним из продуктов реакции является вода. Например, взаимодействие мела (карбонат кальция) и соляной кислоты:

 В реакции взаимодействия гидроксидов щелочных металлов с сильными кислотами одним из продуктов тоже будет вода:

Биология

Сколько в человеке воды? На этот детский вопрос есть вполне взрослый и наукоемкий ответ: жидкие среды организма разнятся содержанием воды, внутриклеточная жидкость и межклеточная тоже различаются. Каковы же эти показатели?

 

 

У взрослого человека с массой 70 кг 60 % массы приходится на жидкости. Это приблизительно 42 л, из которых на внутриклеточную приходится 28 л. У всех живых организмов состав этой жидкости идентичный. Она необходима для осуществления основных жизненных процессов:

• преобразование, хранение и использование энергии

гомеостаз (относительная независимость внутренней среды от внешних условий)

• репликация (процесс воспроизведения (синтеза) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При этом из одной молекулы ДНК в результате её удвоения образуются две молекулы – точные копии исходной ДНК)

• выполнение живыми структурами специфических функций.

Внутриклеточная жидкость состоит из воды с растворенными в ней ионами и малыми молекулами: солями, сахарами, аминокислотами, жирными кислотам, нуклеотидами, витаминами и газами.

Внеклеточная жидкость представлена межклеточной жидкостью и плазмой. На нее приходится 14 л (для 70 кг веса человека).

В отдельной клетке внутриклеточная жидкость представляет собой растворимую часть цитоплазмы (цитозоль), ее «основное вещество», заполняющее пространство между органеллами клетки.

Цитозоль является частью активной среды для элементов (структур) клетки. В цитозоле протекают многообразные метаболические реакции - основа всех функций клетки, кроме синтеза нуклеиновых кислот, осуществляемого в ядре. В цитозоле резервируются различные вещества. Для живой клетки характерен активный ток цитозоля, что отчетливо видно по движению органелл. На долю воды в цитозоле приходится почти 90%.

Ионный состав внутриклеточной жидкости в среднем сильно отличается от состава жидкости внеклеточного пространства. В первой существенно больше ионов калия и магния, и основным анионом является фосфат. Концентрация глюкозы внутри клеток ниже, а белков - выше. Между внутриклеточной жидкостью и жидкостью внеклеточного пространства находятся мембраны, сложные структуры, осуществляющие двусторонний обмен клеток веществами и энергией (информацией) со средой (жидкостью внеклеточного пространства). Согласно источника http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/intrac.htm состав жидкости таков:

 

Исходя из этого, для человека важно не просто потребление чистой воды, а потребление воды с правильным балансом растворенных веществ, так как часть необходимых организму веществ и элементов мы получаем именно с водой.

Здоровье

Дистиллированная вода – невкусная, точнее она практически безвкусна. Полезно ли употреблять воду с такой степенью очистки? На первый взгляд кажется, что верный ответ – да, полезно. Но это не совсем так. Человек получает растворенные вещества с водой, а дистиллированная вода, наоборот, «вымывает» эти вещества из организма. Поэтому гигиенисты всего мира настаивают на сбалансированном составе примесей воды, называя это физиологической или биологической полноценностью воды. Часто такие требования ложатся в основу государственных и международных норм качества питьевой воды.

Люди давно обратили внимание на то, что многие болезни связаны с недостатком поступления и содержания в организме определённых макро- и микроэлементов. В отличие от витаминов, которые могут синтезироваться в организме, макро- и микроэлементы поступают только извне. Для обеспечения физиологической потребности организма макро- и микроэлементами доза их поступления с 2,5 л воды в сутки должна составлять такую пропорцию:

 

Пример норматива для физиологической полноценности воды:

 

Вопрос:


Какая вода вам больше нравится: вода кипяченная, бутилированная, родниковая, колодезная? Как вы думаете, какая вода безопаснее? А полезнее для организма? Приведите несколько аргументов.

 

Философия / Релакс

У каждого человека есть свои секреты расслабления. Вооружившись самыми действенными способами релакса, можно получить максимум пользы и удовольствия.

Очень часто для того, чтобы расслабиться, психологи рекомендуют включить воображение и представить шум моря или вид водопада:

и журчание воды под пение птиц:

Созерцание водной глади, изучение водных бликов, переливов цвета в волнах, также благотворно влияют на нашу психику, как и звук спокойно текущей воды.

 

Видимо в этом секрет популярности аквариумов и фонтанов. Фонтан или аквариум может быть небольшим украшением дома. А может превратиться в шоу, собирающее тысячи восторженных туристов.

Сочетание света, цвета, музыки и звука струй способно и расслабить, и воодушевить человека.

Например, шоу фонтанов в Дубае: http://rutube.ru/video/773d53ce7c8c487d9252a7808ce9ff70/

Поэтому, стоит учиться использовать красоту окружающего мира, красоту воды для расслабления и поиска гармонии.

 

Искусство

Вода – не только основа для красок или объект для изображения. Она способна как вдохновлять художника, фотографа, скульптора, так и сама стать инструментом или полотном.

Вода вместо холста – это основа современного направления живописи –Эбру. Вначале этот вид искусства был просто видом обработки бумаги, получившим название «турецкое марморирование». Постепенно он приобрел популярность, оформился в самостоятельный жанр и даже дал толчок к развитию довольно зрелищных шоуЭбру. Вот примеры живописи в техникеЭбру:

 

А вот так создаются подобные произведения:

Вода вместо мрамора и резца скульптора.

Например, скульптор Маркус Ругельс создает хрупкие и необычные водные скульптуры:

 

 

 

Вода – модель для фотографа.

Фотограф Джек Лонг стал автором серии фотографий «Река». Он использовал воду реки, вблизи которой живет.

 

Также, используя несколько камер, он создал серию 3D-снимков воды «Галерея». Ему удалось словить игру цветных струй небольших фонтанчиков, само движение воды, и запечатлеть их в статичных фотографиях. Вот эти «водные скульптуры», уловить и удержать которые помог талант фотографа:

 

 

Вопрос:


А вам встречались какие-либо из этих видов искусства?
Подведение итогов урока:

Наименование

Содержание

1

Результаты кейс - урока можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B3%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D0%B0 http://www.vodainfo.com/ru/about_water/types_water/hardsoft_water.html

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D1%8F%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B0

http://vodamama.com/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D0%B3%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D0%B0 http://www.vodainfo.com/ru/about_water/types_water/hardsoft_water.html

 

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

http://meduniver.com/Medical/Physiology/684.html

http://www.tryphonov.ru/tryphonov2/terms2/intrac.htm

http://biolicey2vrn.ru/index/obmen_neorganicheskikh_veshhestv/0-392

http://www.argo-shop.com.ua/article-10025.html

 

5

Локация проведения кейс - урока:

Кейс - урок проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задания для них:

1. Какая из команд назовет больше веществ – примесей внутриклеточной и внеклеточной жидкости.

2. Напишите реакции по всем предложенным в разделе Химия типам. (Какая из команд справится с заданием быстрее и правильнее).

7

Домашнее задание:

  Сформулировать по пять вопросов к материалу кейса (индивидуальное задание).

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно.

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

 Знание об особенностях распределения пресной воды в гидросфере

Знание об истории развития воды как глобального ресурса и современной проблематике в этой области

Современная и перспективная водная архитектура

Получены практические навыки расчетов движения по воде с учетом течений

Получение конкретных знаний по географии, истории, экономике и других разделов (приведены в развертках).

11

Теги:

 пресная вода, озера, реки, подземные воды, болота, ледники, водообеспеченность, скорость течения, водозабор, водоочистка, водопровод, скважина, водяное колесо, колодец.

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!