Что такое наномир в естествознании
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 10. Масштабы Вселенной
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?
Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.
Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).
Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).
Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).
Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)
Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:
Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:
Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?
Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.
Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.
Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.
Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.
Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.
В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.
Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.
Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.
Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.
Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.
Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).
Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.
Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.
Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Правильный ответ и пояснение
А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.
Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.
Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.
В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.
Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.
Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.
Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:
Особенности структурной области Вселенной
Структурная область Вселенной
Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.
Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
НАНОМИР ВОКРУГ НАС
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
ВОКРУГ НАС
© Составитель: Демидова Г.Л.
Описание слайда:
Особенностью нанопродуктов является их инновационность (новизна для производителя и потребителя).
В условиях низкой информированности разных групп населения и, в том числе, молодежи о практическом использовании особенностей наноструктурированных веществ в технике, на транспорте, в строительстве, в радиоэлектронике, в медицине и т.д. предлагаем статьи, которые опубликованы в научно-популярных и научно-технических журналах за последние годы.
Журналы имеются в фонде научно-технической библиотеки РГУПС.
Описание слайда:
НАНОТЕХНОЛОГИЕЙ называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
НАНОТЕХНОЛОГИИ – это технологии, направленные на создание и использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками.
Возможно нанотехнологии окажутся ответом на глобальные вызовы человечеству ХХI века : истощение традиционных энергоресурсов, глобальное потепление, нарастающий дефицит чистой питьевой воды, загрязнение окружающей среды.
Описание слайда:
Статья дает представление о существующем наномире. Что такое нанообъекты, какие исследования проводятся в наноразмерном диапазоне, какими достижениями нанотехнологий мы уже пользуемся, не подозревая об этом.
Описание слайда:
Фильтры, применяемые в фильтрационных установках, имеют средний размер пор 30 нм
Гранулированные сорбенты с наноструктурными мембранами
Описание слайда:
Нанофильтрационная установка, производства ООО «Waterlab» (Москва), улучшает качество воды
Схема установки для обработки поверхностных вод и последующей доочистки воды с помощью нанофильтрации
Описание слайда:
В середине 90-х годов прошлого века началось бурное развитие исследований и разработок светодиодов (СД) на основе наноструктур. Сегодня светодиодные технологии завоевывают рынок освещения, вытесняя другие осветительные приборы. Они не только намного экономичнее обычных и энергосберегающих ламп, но и предлагают разнообразные варианты источников освещения (плоские, прозрачные, гибкие).
Наноматериал поглощает практически 100% падающего света
Работа светодиодов основана на испускании фотонов, которое возникает при контакте полупроводниковых материалов и сопровождается свечением
Светильники на светодиодах
Светодиодные гирлянды. Светодиодное освещение
Светодиодная лента –
незаменимый помощник дизайнеров
Описание слайда:
Описание слайда:
Постоянный рост количества информации, передаваемой по каналам связи, требует повышения их пропускной способности. Наибольшими возможностями обладают волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). В основе современной элементной базы ВОСП лежит наноэлектроника. Ее развитие, а также совершенствование методов кодирования и модуляции позволяют повысить эффективность волоконно-оптической связи. Информационные технологии помогают повысить пропускную способность за счет различных способов сжатия сигналов, уменьшения шумов квантования, уменьшения искажений и улучшения соотношения сигнал/шум, а нанотехнологии, в свою очередь, повышают канальную скорость, число каналов в системах с волновым уплотнением.
Описание слайда:
Описание слайда:
Одно из важнейших направлений нанотехнологий – это получение наночастиц (нанопорошков) и их применение. К наночастицам, как правило, относят такие объекты, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм.
Используя нанопорошки можно значительно улучшать свойства различных материалов и продуктов: строительных композиций, смазочных материалов, присадок к смазочным материалам, топлив, полимеров, лекарств.
Размер кристаллитов в нанопорошке
от 20 до 100 нм.
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Одним из потребителей наноматериалов является железнодорожный транспорт, перспективным направлением применения наноматериалов являются разработки новых антифрикционных и антикоррозионных покрытий.
Описание слайда:
Описание слайда:
Новым направлением в области научно-технической информации и выставочной деятельности явилось создание передвижного выставочно-лекционного комплекса ОАО «РЖД», предназначенного для демонстрации достижений инновационного развития железнодорожной отрасли.
Макеты, представленные в выставочном поезде демонстрируют эволюцию железнодорожной техники – от паровоза Черепановых до транспортных средств наших дней. Экспозиция показывает примеры эффективного использования нанотехнологий на железнодорожном транспорте.
Описание слайда:
Наноматериалы, уже разработанные и использующиеся в различных приборах и процессах, поражают воображение исследователей и разработчиков. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, нанокристаллы находят применение в различных отраслях. Перспективы применения нанотехнологий безграничны.
Реализовывать открытия в наномире предстоит нынешнему поколению, людям XXI века – века нанотехнологий!
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Путешествие в наномир
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Счастливого пути!
Что такое нанотехнологии?
Наномедицина
Биочипы
Наноодежда
Наноавтомобили
Военные разработки
Интересное рядом
Опасность нанотехнологий
Жизнь без нанотехнологий
Описание слайда:
Что такое
нанотехнологии?
Определение
Описание слайда:
Описание слайда:
Наноробот
в действии
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Интересное рядом
Вот здесь
Описание слайда:
Опасность нанотехнологий
Посмотрите тут
Описание слайда:
Описание слайда:
Нанотехнологии – что это такое?
Описание слайда:
Три направления нанотехнологий
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.
Описание слайда:
Так что же могут
нанотехнологии?
сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. Возможно, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где «атомная сборка» будет осуществлена в промышленных масштабах.
Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.
В первую очередь это возможность перевода всех отраслей промышленного производства на принципиально новый качественный уровень, без огромных по общепринятым нормам капитальных вложений.
Во вторых: быстро решить накопившиеся проблемы восстановления экологии.
В третьих: создать высокоэффективную систему Здравоохранения, работающую совместно с «Умными машинами» позволяющими обеспечивать регенерацию систем, органов и тканей организма человека, решать проблемы генетически обусловленных болезней, а также биологического старения.
В четвертых: использование «Умных машин» для возобновления источников природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов страны.
И последнее: решение вопросов безопасности страны на принципиально новом техническом и технологическом уровнях.
Описание слайда:
Следующей достопримечательностью нашего путешествия будет… наш собственный организм! Ведь он тоже состоит из атомов и молекул, а значит, внутри нас также происходят различные нанопроцессы.
Самый главный нанопроцесс в нашем организме – это биосинтез белкá. Первое, что приходит на ум при слове «белок» – это белок куриного яйца (его научное название — альбумин). Но белки спрятаны не только под яичной скорлупой! Наш собственный организм представляет собой целый завод, на котором постоянно трудится огромное число самых разнообразных белков.
Роль белков в организме чрезвычайно разнообразна. Например, белки-гормоны, участвуют в управлении всеми жизненными процессами организма. Без них человек не мог бы ни расти, ни размножаться. Мы обладаем зрением, благодаря особому глазному белку – родопсину. Мы способны двигаться, потому что наши мышцы сокращаются и расслабляются благодаря белкам миозину и актину. Наши волосы и ногти состоят из белка кератина. Белок гемоглобин разносит кислород от легких ко всем клеткам нашего организма. Без белка пепсина, содержащегося в желудочном соке, мы не смогли бы переваривать пищу, а белок интерферон помогает организму справляться с разными вредными вирусами и защищает нас от болезней и т. д.
Описание слайда:
Каким же образом белки образуются в нашем теле? В любом организме существует своеобразная фабрика по производству (синтезу) белков, которая носит название рибосома. Работа рибосомы очень напоминает работу обычной фабрики, например, по производству автомобилей. В обычном мире, как известно, автомобиль строится не абы как — с бухты-барахты — а строго по определенному чертежу. В нано-мире при синтезе белковой молекулы происходит абсолютно то же самое.
«Чертежи», необходимые для построения всех белков организма, хранятся в особой «библиотеке», роль которой выполняет молекула ДНК. Каждый «чертеж» в молекуле ДНК, соответствует конкретному белку и называется геном, а вся информация, содержащаяся в ДНК – генетической.
Но «библиотека» – это еще не «сборочный цех». Поэтому прежде, чем построить какой-нибудь белок, необходимо точно «скопировать» его «чертеж» из ДНК и доставить его на место сборки. Такое копирование и перенос осуществляет молекула информационной РНК (и-РНК), на которой специальным образом закодирована вся последовательность аминокислот для каждой белковой молекулы
Описание слайда:
Итак, молекула и-РНК с записанной на нее информацией направляется к рибосоме. Туда же направляется поток материала, из которого строится белок – молекулы аминокислоты. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью подвижных транспортных РНК (т-РНК). Эти молекулы умеют «распознавать» среди всего многообразия аминокислот только «свою» аминокислоту, присоединять её к себе и подтаскивать к рибосоме.
Рибосома медленно ползет по ленте и-РНК и, шаг за шагом, считывает с нее «код» следующей «бусины» в молекуле белка. Считав очередной «код», рибосома ждет, когда к ней «подъедет» т-РНК с необходимой аминокислотой. Если подъехавшая т-РНК «привезла» бусину неподходящего «цвета», ничего не происходит и т-РНК с прицепленной аминокислотой покидает рибосому, а к рибосоме «подъезжает» следующая т-РНК. И только в том случае, если считанный код совпал с подъехавшей «бусиной», аминокислота отделяется от т-РНК и присоединяется к строящейся цепочке белковой молекулы.
Свободная т-РНК затем выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и весь процесс повторяется снова. Напоминаем, что без этого нанопроцесса жизнь на Земле была бы невозможна, что еще раз подтверждает огромное значение законов наномира в нашей жизни!
Механизм работы рибосомы – это процесс производства конечной «нанопродукции» (белковой молекулы) из первоначального «наносырья» — атомов и молекул, причем процесс не беспорядочный, а по строго заданной программе, или рецепту.
Мы в своем «большом» мире (макромире) тоже производим автомобили, компьютеры, одежду, книги из исходного материала – железа, ткани, древесины и т.д. а методы для производства вещей с наперед заданной структурой называем технологией.
Мы убедились, что эти методы имеют много общего, и отличаются только лишь видом исходного «сырья»: на обычной фабрике – это какое-то вещество в большом объеме, а в наномире сырье – это атомы и молекулы. Поэтому методы манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с наперед заданной атомной структурой называется нанотехнологиями. А наномир, по которому мы с вами путешествуем, можно также назвать миром нанотехнологий.
Описание слайда:
Нанороботы
Какие подсистемы должен иметь наноробот?
Так как основная функция наноробота — передвижение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему.
Устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.
Также нанороботу необходима мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам, и обратно.
Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором телескопических наноманипуляторов разного применения.
Материал, из которого будет изготовлен наноробот — алмазоид или сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.
Также необходимо наличие приемо — передаточных устройств, позволяющих нанороботам связываться друг с другом.
И наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты.
максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков). Ниже на картинке представлен вид наноробота, выполненного из алмазоида
Описание слайда:
Наноробот
в кровеносной системе
Наноробот
ремонтирует клетку