(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, нами положен системный подход к пониманию биосферы и места человека в ней. Наряду с этим учтено, что:
1) экологические сведения должны быть логически связаны с содержанием курса физики; их использование направлено на конкретизацию и углубление физических знаний;
2) 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;
3) 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:
1) земля, вода, атмосфера как элементы единой системы-биосферы, их основные физические свойства;
2) физические факторы природной среды и их параметры;
3) роль физических факторов и параметров в протекании физических, химических, биологических процессов в биосфере;
4) допустимые нормы физических параметров для различных биосферных явлений, объектов и процессов;
5) 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.
