Урок биологии в 8 классе "Решение биофизических вопросов и задач по теме "Опора и движение"
Скачать 169.98 Kb.
|
| МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 66» г. Перми Урок биологии в 8 классе "Решение биофизических вопросов и задач по теме "Опора и движение" (интегрированный урок) Амировой Светланы Маликовны учителя биологии и химии 2013 г Интегрированный урок "Решение биофизических вопросов и задач по теме "Опора и движение" "…Сейчас нельзя обойтись без знания физики, если ты хочешь достигнуть ясности относительно физиологических вопросов…". Ю. Майер Цель. Показать, что в основе строения и функции опорно-двигательного аппарата лежат физические процессы. Задачи:
показать взаимосвязь строения и функции опорно-двигательного аппарата (на примере мышечной деятельности и др.); продолжить формирование знаний о высокой ценности для здоровья мышечной активности.
Оборудование: таблицы ("Скелет человека", "Скелет собаки", "Мышцы человека", "Правило равновесия рычага", "Механическая работа и мощность"), декальцинированная и прокаленная кости (куриные), видеофрагмент "Животные" (из серии "Оксфордская видеоэнциклопедия для детей"), рычаг (длинная деревянная линейка, две игрушки разной величины и массы), секундомер, измерительная лента (рулетка), фотографии спортсменов. Вступление. Все мы - плоды эволюции. Природа миллионы лет «экспериментировала», прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас есть. К сожалению, не нам с вами судить о результатах этого «эксперимента» в интеллектуальной сфере, но мы вполне можем быть объективны, обсуждая элементы механической конструкции нашего тела, сравнивая их характеристики с параметрами аналогичных элементов, встречаемых в природе, а также используемых человеком в технике и строительстве. Каркасом тела служит скелет, состоящий из более 200 костей, большинство из которых (кроме черепа и таза) соединено между собой таким образом, что при движении относительное расположение их может изменяться. Если бы перед инженером-механиком поставили задачу сконструировать скелет человека, то он наверняка сразу потребовал бы объяснения, для чего нужна каждая косточка. Действительно, форма, размеры и внутренняя структура кости должны определяться ее функцией в скелете. Как же работают наши кости? Каким образом осуществляются движения? На эти и многие другие вопросы мы попытаемся ответить с точки зрения науки физики: какие физические процессы лежат в основе строения и функции опорно-двигательного аппарата? Для активизации необходимых знаний урок можно начать с занимательного эксперимента. Занимательный эксперимент: Учитель вызывает двух учеников - крепкого и сильного на вид мальчика и хрупкую на вид девочку. Девочке предлагается держать ручку двери, приложив при этом некоторое усилие, а мальчику - попытаться открыть дверь, приложив усилие со стороны дверной оси вращения (ближе к точке опоры). Открыть дверь таким образом, оказывается, невозможно. Почему? (проблемная ситуация) С целью активизации знаний из курса физики демонстрируются "качели-весы" (качели сделаны из длинной рейки, на которой качаются тяжелая и легкая игрушки) и схема рычага:      l1 O l2 F1 F2 Таблица "Правило равновесия рычага" Рычаг находится в равновесии только тогда, когда силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил: F1 l2 =F2 l1 "Золотое правило" механики: S1 F2  = F1 S1 = F2 S2 A1 = A2S2 F1  S2      S1F2 Ни один механизм не дает выигрыша в работе: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии. Повторив "золотое правило" механики, учащиеся находят в нем объяснение эксперименту с "неоткрывающейся" дверью. Мальчик сможет открыть дверь, максимально приблизившись к дверной ручке (к краю, наиболее удаленному от оси вращения). Схема рычага в данном случае примет следующий вид:  F2 l1 l2  О F1
Дополнительный вопрос: Он жил так давно, что память о нем обросла легендами. Он впервые сам теоретически вывел правило рычага и считал, что рычаг - мощная машина, при помощи которой можно было бы поднять Землю, если бы нашлась подходящая точка опоры. О каком ученом идет речь? (Да, это знаменитый Архимед. Он был первый, кто задумался над вопросом: почему простые механизмы дают выигрыш в силе и почему, пользуясь рычагом, подвижным блоком или воротом, можно поднять большой груз, обладая малой силой. Мимо загадки выигрыша в силе не прошел и знаменитый основатель механики Галилео Галилей. Еще в юности он написал научное сочинение о простых механизмах, в котором убедительно обосновывал "Золотое правило механики".) 1. Вопрос: Подумайте об устройстве своего организма. Вы непременно обнаружите в нем "простые механизмы". Найдите их. В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека - кости конечностей, челюсти, череп (точка опоры- первый позвонок), фаланги пальцев. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (см. рис. 1а). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы F1 , позади - сила F2 тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на пальцы (см. рис. 1б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила F1 - вес всего тела - приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F2 , осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости. Рычажные элементы есть и в организме животных. У позвоночных животных, как и у человека, кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Но у животных есть еще свои, специфичные для данного вида, рычажные механизмы. Например, у кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб - шипы спинного плавника; длинные ноги борзой и оленя определяют их способность к быстрому бегу; короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости; длинные челюсти борзой позволяют быстро схватывать добычу на бегу, а короткие челюсти бульдога смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления). У членистоногих рычагами является большинство сегментов их наружного скелета. У двустворчатых моллюсков - створки раковины. Дополнительная информация. В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный рычаг - ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень. Интересные рычажные механизмы можно найти в некоторых цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах. Так, у лугового шалфея (рис. 1в) вытянутая тычинка служит длинным плечом А рычага. На ее конце расположен пыльник. Короткое плечо Б рычага как бы стережет вход в цветок. Когда насекомое (шмель) заползает в цветок, оно нажимает на короткое плечо рычага. Длинное плечо при этом пыльником ударяет по спинке шмеля и оставляет на ней пыльцу. Перелетая на другой цветок, насекомое этой пыльцой опыляет его. В ходе урока желательно продемонстрировать скелеты различных животных, а также таблицы, схемы, рисунки, иллюстрирующие способы прикрепления к скелету мышц. В ходе обсуждения вопроса об особенностях скелета человека и животных, ученики приходят к выводу, что скелет представляет собой систему рычагов, приводимых в движение при помощи скелетных мышц. Здесь уместно провести физкультминутку. Ребятам предлагается взять в руки книгу и несколько раз поднять и опустить ее, попеременно сгибая руки в локтевых суставах и поднимая груз прямыми руками. После выполнения упражнения задать вопрос: как легче было поднимать книгу и почему? Как правило, ребята догадываются, что здесь решающую роль играет принцип рычага. 2. Вопрос: А как узнать, с какой силой натягиавется мышца при подъеме какого-нибудь груза? Задача: С какой силой натянута мышца (бицепс) при подъеме ядра весом 80 Н, если расстояние от центра ядра до локтя равно 32 см, а от локтя до места закрепления мышцы - 4 см? (рис. 2) Решение задачи:  Дано: СИ Решение: F2F1 = 80 Н F1 l2      l1 = 32 см 0,32 м 0 l2 =  l2 = 4 см 0,04 м l1 F2 l1 F2 = ? F1 F1 * l1 80 Н * 0,32 м  F2 = ; F2 = = 640 Нl2 0,04 м Ответ: F2 = 640 Н. (С силой 640 Н натянута мышца (бицепс) при подъеме ядра весом 80 Н). 3. Проблемный вопрос: Для более быстрого передвижения человек изобрел колесо. Колеса несомненно эффективнее ног. Человек на велосипеде тратит лишь половину энергии пешехода. А почему колесо - эффективное средство передвижения, изобретенное человеком, - никогда не использовалось природой в процессе эволюции? Почему природа избегает колес? При затруднении для ответа дается наводящий вопрос: в чем преимущество рычажного механизма движения? Здесь также уместно показать видеофрагмент "Животные" из серии "Оксфордская видеоэнциклопедия для детей". В связи с этим ученики отмечают большое разнообразие движений, осуществляемых человеком (приводятся примеры), и большое разнообразие способов передвижения у животных (примеры). Учащиеся анализируют преимущества и недостатки механизмов движения в эволюции животного мира, вследствие чего приходят к выводу, что колеса хороши лишь на гладкой и твердой поверхности, какая в природе встречается редко. Колеса беспомощны на мягкой почве, не приспособлены для перемещения по вертикали, стесняют повороты на ограниченной площади. Работа проводится в парах. Так учащиеся отрабатывают умения проводить анализ, синтез, находить причинно-следственные связи. 4. Вопрос: Достаточно ли прочны наши кости? В таблице приведены значения критических напряжений, при которых нарушается целостность различных материалов, испытанных на сжатие и растяжение:
Как это не удивительно, но кость по своей прочности уступает только твердым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Вопрос: чем объясняется такая высокая прочность костного материала? Учащиеся вспоминают, каков химический состав костей. При этом следует показать заранее прокаленную кость и декальцинированную кость. Вспомнив свойства органических и минеральных веществ, ребята приходят к выводу, что высокая прочность кости определяется сочетанием двух совершенно различных компонентов - органического и неорганического вещества. Можно привести примеры прочных материалов в технике. Например, стеклопластик представляет собой смесь стеклянных волокон и смолы, бетон - смесь твердого щебня и эластичного цемента. Вопрос: чем еще объясняется прочность кости? Занимательный эксперимент. Учитель выдает двум учащимся по одинаковому листку бумаги. Один сворачивает лист в полоску, другой - в трубку. Затем начинается первое испытание. На вертикально расположенную полоску бумаги ученик пытается положить книгу. Не удается. После этого испытывают трубку. Ее точно также вертикально располагают и пытаются положить сверху эту же книгу. Бумажная трубка без поддержки ученика выдерживает груз. Учащиеся видят, что эта нагрузка не может согнуть трубку и приходят к выводу: трубка обладает большей прочностью, чем полоска такой же массы. В итоге ребята проводят аналогию бумажной трубки со строением трубчатых костей: кость выигрывает в легкости, не теряя прочность. Трубчатые кости - основа скелета конечностей. Вопрос: чем объясняется прочность плоских губчатых костей? Губчатое вещество образовано множеством костных пластинок, которые располагаются по направлениям наибольшей нагрузки, т.е. располагаются так, что противостоят растяжению и сжатию (пластинки часто пересекаются под углом 900). Вопрос: если прочность костей велика по отношению к нагрузке, то почему случаются переломы костей (особенно малой берцовой) при неловком (неправильном) прыжке и при падении? Дело в том, что прочность костей велика по отношению к нагрузке, которая приходится на кость в ее естественном положении в организме. При ударе же, например, при падении, кость может сломаться, так как направление действующей на кость внешней силы не соответствует расположению костных пластинок, придающих ей прочность. Вопрос: каков же запас прочности у наших костей? Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см2. Используя данные, приведенные в таблице …, легко показать, что максимальный вес груза, который может удерживать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 6000 Н. Кость из-за ее устойчивости к внешним воздействиям издавна использовали для изготовления самых различных инструментов. Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить вид спортивных упражнений - карате. Тем, кто впервые видит, как каратеист разбивает крепкие бруски дерева или бетона, кажется, что это мистификация. Однако, даже новичок в карате после недолгой тренировки сможет легко разбить голой рукой сначала один брусок дерева, потом и целую их стопку. То, что рука каратеиста не ломается и при ударе о бетонный брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Хорошо натренированный каратеист может в течение нескольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколько киловатт. О физике карате, т. е. о том, как может голая рука разбивать такие прочные предметы, не ломаясь, можно узнать из книги К. Ю. Богданова "Физик в гостях у биолога" в главе "Прочнее гранита" (М., "Наука", 1986г.). 5.Вопрос. Какую мощность может развить человек, взбегающий вверх по лестнице? Как это можно выяснить? Ответьте на вопрос, используя свой повседневный опыт.
В повседневности у нас постоянно существует необходимость изменять не только направление, но и модуль скорости тела, а также различных частей (органов) тела, которыми мы оперируем. Примеров так много, что вас совершенно не затруднит привести их достаточное количество, понаблюдав за своим существованием пять - семь минут. (Кстати, многие изменения скорости вы еще и "прозеваете". Не забудьте, например, о движении пальцев, век и других частей вашего тела.) Чтобы изменить модуль скорости, необходимо совершить механическую работу: /\Ек = А. (/\Ек - изменение кинетической энергии; Ек = mv2/2.) Эту работу (А>0 или A<0) совершают ваши мышцы. Рассмотрим с этой точки зрения обычное явление - подъем по лестнице (см. рис.). Вы стоите на ступеньке, ставите ногу на следующую, напрягаете мышцы, возникает реакция опоры N, компенсирующая силу f2 , и сила f1 совершает положительную работу (А>0), скорость тела при этом возрастает: /\Ек>0, вы поднимаетесь на одну ступеньку. Одновременно сила тяжести совершает отрицательную работу А Fт < 0, т.к. a = 1800. Ясно, что работа силы напряжения мышц А должна быть хоть чуть-чуть, но больше работы силы тяжести (по модулю): А>АFт, иначе не удастся увеличить кинетическую энергию Ек. Затем учитель вызывает двух учеников, вручает им необходимые приборы (измерительную ленту и секундомер) и предлагает им проверить достоверность ответа с помощью эксперимента. После возвращения в класс ученики сравнивают свои ответы, объясняют ход эксперимента и сделанные расчеты. В то время, когда два ученика проводят эксперимент, остальные учащиеся решают следующую задачу: Штангист поднял штангу массой 120 кг на высоту 70 см за 0,3 с. Какую среднюю мощность развил спортсмен при этом? (Ответ: N = 2,9 кВт) Для сравнения: средняя мощность, развиваемая сердцем, равна 2,2 Вт; при прыжке с места или рывке при поднятии тяжести человек может развить мощность в тысячу раз больше (2,2 кВт и более). Можно привести данные о мощности некоторых механизмов в технике. Полученные значения мощности при решении задач можно сравнить с данными о мощности некоторых механизмов. 6.Вопрос. А зачем нужны сухожилия? Только ли для прикрепления мышц к костям? Ткани, которые играют роль своеобразных пружин и могут запасать механическую энергию, являются мышцы конечностей и сухожилия, соединяющие их с костями. Сухожилия в большей степени, чем мышцы годятся для хранения потенциальной энергии, так как силы внутреннего трения в них очень малы, и около 90 % этой энергии может быть обратно преобразовано в кинетическую энергию. Кроме того, сухожилия обладают большей жесткостью, чем мышцы, и могут быть растянуты на 6 % своей исходной длины без заметного повреждения, в то же время как мышцы - только на 3%. Все эти свойства сухожилий делают их основными запасниками механической энергии во время бега и других циклических движений. Свойства сухожилий более или менее одинаковы у всех животных, однако конечности копытных, например, овец и лошадей, наиболее приспособлены для хранения механической энергии. Некоторые мышцы в нижних частях ног этих животных состоят практически целиком из одних сухожилий. В ноге человека самым мощным является ахиллово сухожилие, на которое при беге может действовать растягивающая сила до 4000 Н. Каждый может сам легко убедиться, что механическая энергия действительно запасается в наших ногах, как в пружинах. Эксперимент: Для этого попробуйте сильно приседать, сильно сгибая колени. Вы сразу заметите, что подниматься гораздо легче, если выпрямлять ноги сразу, чем если задерживаться на секунду и более в положении с согнутыми ногами. Чем это можно объяснить? Это можно объяснить тем, что при сгибании колен часть мышц напряжена, контролируя движение вниз, и их сухожилия растянуты. Если перед подъемом сухожилиям не дать возможность укоротиться, запасенная в них потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Если же позволить им укоротиться еще до подъема, то эта энергия перейдет в тепло. Такие же опыты были поставлены на испытуемых, у которых измеряли потребление кислорода. Их заставляли в одном случае приседать и распрямляться сразу после полного сгибания колен, а в другом - после полуторасекундной задержки. Результаты подтвердили субъективное впечатление: в первом случае испытуемый потреблял кислород на 22 % меньше. (К.Ю.Богданов, 1986г., с.64-66 [12]). После рассмотрения основных вопросов и задач урока важно отметить влияние регулярной, направленной и дозированной двигательной активности на правильное формирование двигательных качеств. Именно в период среднего школьного возраста (12-15 лет) закладывается база здоровья организма в целом. В основе физического здоровья лежат здоровый образ жизни, развитие двигательных качеств. Таких качеств, определяющих физическое развитие, несколько. Это: 1) общая выносливость; 2) скоростная выносливость; 3) силовая выносливость; 4) скоростно-силовая выносливость; 5) гибкость; 6) быстрота; 7) динамическая сила; 8) ловкость (координационные способности). Характеристику основных физических качеств можно оформить в виде плаката и вывесить в кабинете:
В связи с этим нужно обратить внимание учащихся на необходимость учета возможностей и особенностей своего организма при выборе той или иной профессии. Вывод (итог урока): исходя из положения о взаимосвязи строения и функции (с приведением примеров), сделать общее заключение о приспособленности опорно-двигательного аппарата к функциям опоры, защиты, движения с точки зрения науки физики. В связи с этим сделать вывод о значении мышечной активности для развития опорно-двигательной системы и влиянии мышечной активности на организм в свете общего понятия об организме как целостной и открытой системе. Отметить (подвести учащихся к этому выводу), что для полного и глубокого понимания строения и жизнедеятельности организма важно хорошо знать основы физики. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | 9 февраля 2012 года Урок математики в 4 классе по теме «Решение задач на встречное движение» каб. №9 | | Конспект урока по математике проведенного 19. 03. 2009 в 4в классе ... |
 | Аннотация Ссылка Примечание Иллюстрированная подборка вопросов и... Иллюстрированная подборка вопросов и задач по теме "Ускорение. Равноускоренное движение" | | Методическая разработка урока математики в 6-м классе по теме «Проценты. Решение задач» Форма урока: решение проблемного вопроса «Жить или курить?» при помощи решения задач, урок-беседа, обсуждение |
| Урок-исследование в 9-м классе по теме "Решение задач на закон сохранения... Урок–исследование в 9-м классе по теме "Решение задач на закон сохранения механической энергии" | | Урок математики в 4 классе (по учебнику Л. Г. Петерсон) Решение задач на движение Моу «Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №30» |
| Урок математики в 6 классе. Проценты. Решение задач Форма урока: решение проблемного вопроса «Жить или курить?» при помощи решения задач, урок беседа, обсуждение | | Урок 7 Тема: Криволинейное движение. Решение задач на криволинейное движение Основные характеристики равномерного движения по окружности (период, частота, центростремительное ускорение) |
| Урок математики в 6 ом классе по теме : «решение уравнений» Обучающие цели: повторение, обобщение и систематизация знаний учащихся по теме «Решение уравнений» и их применение отработка практических... | | Решение задач на прямолинейное равноускоренное движение Составление... Виды движения. Прямолинейное равномерное и равноускоренное движение. Криволинейное движение. Вращательное движение. Колебательное... |
| Занятие по теме «Опора тела и движение» Оборудование: таблица «Скелет опора тела», опорные знаки «Правильная осанка», шапочки с красным крестом, гимнастические палки, мешки-массажеры... | | Презентация «Решение задач с помощью кругов Эйлера». Презентация... Интегрированное занятие математического кружка (математика + информатика) в 5-м классе по теме "Решение задач с помощью кругов Эйлера.... |
| Урок по физике в 7 классе по теме «Механическое движение. Равномерное движение. Скорость» Оборудование: тележка, два бруска, видео «Механическое движение», компьютер, проектор, диск «Школа к и М» (7 класс) | | Урок математики в 3 классе Тема: «Решение задач на движение» «Страны цифр» с обозначенными преградами («Заколдованные цифры», «Дикий зверь – цифрозавр», «Глубокий овраг», «Коварная река», «Задачки... |
| Урок математики в 4 классе по теме «Двойные неравенства» Данный урок является третьим в теме «Неравенство» и опирается на тему «Решение неравенств». Знакомство с неравенствами имеет важное... | | Урок по темам «Прямая, отрезок, луч, ломаная», «Длина отрезка», «Координатный... Цель: обобщить и повторить знания и умения учащихся по темам «Координатный луч», «Прямая, отрезок, луч, ломаная», «Длина отрезка»,... |
