Тема: «Колебательные системы в природе» (физика, биология, информатика) 8 класс
Цели урока:
1. Образовательная:
– знакомство с новым материалом, продолжение работы по формированию навыков учащихся, анализ источников информации, навыков экспериментальной работы, навыков работы в группе;
– закрепление знаний и умений: составление и решение задач.
2. Воспитательная:
– воспитание мировоззренческих понятий, выявление причинно-следственных связей в окружающем мире;
– нравственное воспитание, воспитание патриотических чувств и любви к природе родного края, воспитание чувства товарищеской взаимовыручки и норм поведения в социуме.
3. Развивающая:
– развитие умений классификации, обобщении, составление схем и формулирования выводов по изученному материалу;
– развитие грамотной устной речи, мышления и навыков практической деятельности.
- Работа в группах с источниками информации и наглядностью. Школьники изучают источники информации, аккумулируют и обобщают ее. Готовят видеоролик, используя один из интернет-сервисов. После чего выносят на суд других групп. В ходе информационного боя проводятся экспериментальные работы, которые предлагаются учащимся.
1 группа. Часы без стрелок. Все можно измерить – продолжительность деления живой клетки, частоту биения сердца, время выделения слюны при виде пищи. Но для того, чтобы знать, как возникает, живет, умирает организм, как он существует среди других организмов на планете, необходимо сопоставлять множество данных, основанных на наблюдении за ритмами. Ритм – это воспроизведение одного и того же события или состояния через равные промежутки времени. Великий ученый А.Л.Чижевский писал о том, что ритм одинаково присущ как неживой, так и живой природе. Все виды искусства: музыка, танец, архитектура, живопись, поэзия – пронизаны ритмом. Действуя в определенном ритме, человек в любой работе достигает наибольших успехов, так как расходует силы наиболее экономно. Еще на заре истории человечества было замечено, что ритм поддерживается звуками, которые издают орудия труда, например удары молота о наковальню. Позже для поддержания сил в работе люди стали использовать музыкальные инструменты. Известно, например, что этруски, населявшие Апеннинский полуостров в 1-м тысячелетии до нашей 55 эры, месили тесто под звуки флейты. Большим подспорьем в тяжелой работе у разных народов была песня. Она позволяла подстраиваться под общий ритм и не снижать темп работы. Периодичность ритмов, в которых существует весь мир, колеблется от долей секунды до сотен миллионов лет. Функции нервной системы млекопитающихся, такие, например, как возбуждение или расслабление, имеют коротковолновые ритмы. Некоторые из них длятся всего 1 мс. А самое продолжительное из известных ритмических колебаний, занимающее около 285 миллионов лет, относится к движению Солнечной системы. За это время, составляющее галактический год, наша система успевает совершить один оборот вокруг центра Галактики. Вся природа пронизана ритмическими колебаниями – чередование времен года, смена дня и ночи, океанские приливы и отливы, солнечная активность, геологические процессы, землетрясения и др.
- группа. Биоритмы человека. В человеке тоже происходят колебательные процессы, так называемые биологические ритмы, или биоритмы. Они-то и представляют собой часы, которые невозможно ни увидеть, ни услышать. Что же делают эти – биологические – часы внутри нас? Хронобиологи обнаружили в человеческом организме более 500 ритмически меняющихся реакций. Одни завершают свой цикл (от греческого «циклос» – круг) за доли секунды или минуты. Это колебания биотоков мозга или сокращения сердечной мышцы. Другие растягиваются на несколько часов, месяцев, лет. Например, периоды солнечной активности, пик которых приходится на 11-й год цикла, влияют на органы нервной системы человека. Самым наглядным является суточный цикл. Считается, что сутки – как бы маленькая модель года. То есть за 24 часа человек проживает весну, лето, осень, зиму. Зимой резко замедляются биологические процессы в природе, многие животные впадают в спячку. Этому холодному времени года соответствует ночь, а ночью организм отдыхает, снижается частота пульса, дыхание становится реже, понижается кровяное давление. Весна – утро жизни. Человек пробуждается, открывает веки, на сетчатку его глаза попадает свет. И тут же активизируется головной мозг, учащается дыхание, из легких в кровь поступает больше кислорода, ткани организма освобождаются от накопившихся за ночь шлаков. Постепенно в течение суток то усиливается, то снижается обмен веществ, что отражается на состоянии, настроении, работоспособности человека. Ученые путем долгих наблюдений и подробных исследований доказали, что существует единый внутренний график для всех людей. Так, с 10 часов утра до 15 – период активной деятельности человека, мозг в это время работает наиболее эффективно. С 13 до 14 часов больше всего выделяется желудочного сока – это время обеда. Час роста, когда быстрее всего растут волосы, ногти приходится на период с 16 до 17 часов. А время чувств, когда обостряется слух, вкус и обоняние длится ч с 17 до 18 часов. С 20 часов многие начинают вспоминать о своих неосуществленных планах, печалиться об упущенных возможностях, острее, чем в другое время, переживают одиночество. Это – час 56 тоски. Но затем, если взять себя в руки, сквозь тучи внутренних переживаний пробивается луч надежды. Настроение выравнивается, и можно подумать о завтрашнем дне. Это благодатное время длится до 23 часов. Однако после 23-х в организме активизируется работа печени и желчного пузыря, человек может стать раздражительным, агрессивным. Поэтому, чтобы не поссориться с кемнибудь, стоит лечь спать. К тому же времени сразу после полуночи – это «час слепоты», когда работа глаз требует дополнительного напряжения, а зрение перенапрягать не стоит.
II. Экспериментальные задачи, практические работы, решение и обсуждение результатов. Работа в группах.
1 группа. Дыхание. Каждый из нас ежеминутно производит 16-18 дыхательных движений. Смысл их в том, чтобы обеспечивать внешнее дыхание – первый этап доставки кислорода и последний этап удаления из организма углекислого газа. Но ведь кислород нужен не только клеткам легких, и не только их клетки нуждаются в удалении углекислого газа. То же самое требуется всему организму, всем остальным клеткам тела. Посредником в обмене газами между воздухом легких и всеми «страждущими» служит кровь. В клетках идет заключительный этап внутреннего, или тканевого, дыхания: организм отдает образующийся в процессе жизнедеятельности углекислый газ и получает кислород. Вдох и выдох регулируются особым отделом продолговатого мозга человека – дыхательным центром. В каждом полушарии дыхательный центр свой – это дополнительная страховка природы на случай повреждения мозга при травме или кровоизлиянии.
Практическая работа, решение и обсуждение результатов. Работа в группе.
Цель работы: определить период и частоту дыхания без физических нагрузок и при них.
Приборы и материалы: секундомер.
Задание: используя секундомер, посчитайте количество вздохов за 1 минуту, затем сделайте 10-20 приседаний и снова посчитайте количество вздохов за 1 минуту.
Содержание и метод выполнения работы.
Дыхательный центр способен менять частоту и силу своих импульсов в зависимости от воздействия на него. Отчасти он подчиняется воле человека. Каждый может задержать или ускорить дыхание – при разговоре, пении или просто по желанию. Но более охотно дыхательный центр прислушивается к требованиям организма.
Без нагрузок каждый из нас ежеминутно производит от 10-20 дыхательных движений. При физической нагрузке, боли, некоторых расстройствах в процесс дыхания включается дополнительная мышца (вспомогательная дыхательная мускулатура). При увеличении нагрузки количество вдохов увеличивается.
Для определения периода и частоты дыхания необходимо посчитать 3-4 раза количество вдохов N за 1 минуту и рассчитать среднее значение Nср. По этим данным вычислить частоту и период дыхания. Затем выполнив 10-20 приседаний в быстром темпе повторить расчеты.
Порядок выполнения работы.
1. Посчитайте число вдохов N за 1 минуту.
2. Повторите опыт 3-4 раза.
3. Рассчитайте среднее число вдохов за 1 минуту
4. Результаты занесите в таблицу. Сделайте вывод о частоте и периоде дыхания.
| N | N ср | v. Гц | Т,с | |
| 1 |
5. Сделайте в быстром темпе 10-20 приседаний и посчитайте число вдохов за 1 минуту.
6. Повторите опыт 3-4 раза.
7. Рассчитайте среднее число вдохов за 1 минуту
8. Результаты занесите в таблицу. Сделайте вывод о частоте и периоде дыхания после физических нагрузок.
| N | N ср | v. Гц | Т,с | |
| 1 |
2группа. Сердце.
Сердце – главный орган системы кровообращения. Ныне это столь очевидно, что споры прежних веков о его предназначении кажутся нелепыми. В Древнем Китае верили, что сердце участвует в пищеварении, в Египте были убеждены, что оно причастно к образованию мочи, а также грудного молока, семенной жидкости и слез. Древние египтяне, индийцы, греки и арабы полагали, что сердце – вместилище души.
Сердце располагается в грудной полости сразу позади грудины. В левой половине грудной полости находится две трети сердца, а одна треть лежит справа. Чтобы узнать размеры своего сердца, достаточно сжать кисть в кулак. Масса сердца взрослого человека составляет примерно 1/200 массы тела – около 300 г. Широкое основание сердца направлено вверх и назад, а суженная верхушка вниз, вперед и налево.
Частота сердечных сокращений в покое у взрослого человека – 70 ударов в минуту, у новорожденного – 120-140. За всю жизнь сердце в среднем сокращается 3 млрд раз. В минуту сердце взрослого человека перекачивает 4.2 л крови. Но это в состоянии полного отдыха. А при больших физических нагрузках наш «вечный двигатель» может за тот же срок перегнать и 25-30 л. По артериям кровь течет от сердца, а по венам – к сердцу. Стенки артерий эластичны, поэтому они хорошо растягиваются и сокращаются в ответ на колебания артериального давления, возникающие при сокращении сердца. Эти колебания или пульс, мы можем прощупать у себя на запястье, положив палец на лучевую артерию. Разветвляясь, артерии переходят в капилляры. Общая 58 длина капилляров тела – 100 тыс. км. Если их вытянуть вдоль экватора, можно обмотать земной шар 2.5 раза.
Практическая работа. Работа в группе.
Цель работы: определить период и частоту колебаний сердца без физических нагрузок и при них. Приборы и материалы: секундомер.
Задание: используя секундомер, посчитайте пульс за 1 минуту, затем сделайте 10-20 приседаний и снова посчитайте пульс за 1 минуту.
Содержание и метод выполнения работы.
Частота сердечных сокращений зависит от состояния человеческого организма, физических нагрузок, болевых синдромов и других факторов. Отчасти он подчиняется воле человека.
Без нагрузок сердце каждого из нас ежеминутно производит от 60-до 100 колебательных движений. При физической нагрузке, боли, некоторых расстройствах пульс человека увеличивается.
Для определения периода и частоты сокращения сердечной мышцы необходимо посчитать 3-4 раза количество сокращений сердца N за 1 минуту и рассчитать среднее значение Nср. По этим данным вычислить частоту и период колебаний сердца. Затем выполнив 10-20 приседаний в быстром темпе повторить расчеты.
Порядок выполнения работы.
1. Посчитайте пульс N за 1 минуту.
2. Повторите опыт 3-4 раза.
3. Рассчитайте средней пульс за 1 минуту
4. Результаты занесите в таблицу, постройте график в Excel. Сделайте вывод о частоте и периоде сокращения сердечной мышцы.
| N | N ср | v. Гц | Т,с | |
| 1 |
5. Сделайте в быстром темпе 10-20 приседаний и посчитайте пульс за 1 минуту.
6. Повторите опыт 3-4 раза.
7. Рассчитайте средней пульс за 1 минуту
8. Результаты занесите в таблицу, постройте график в Excel. Сделайте вывод о частоте и периоде сердечных сокращений после физических нагрузок.
| N | N ср | v. Гц | Т,с | |
| 1 |
III. Закрепление изученного материала. Работа в группах и обсуждение результатов.
1 группа
1. Землетрясения – это мощные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре. Чаще всего землетрясения бывают в районах горообразования. Земля резко сотрясается, появляются трещины. Они бывают настолько широкими, что в них может провалиться автомобиль. Землетрясения возникает в местах соприкосновения платформ. При сильном давлении происходят тектонические движения и тектонические разрывы (трещины). При смещении и ломке структуры горных пород возникают сейсмические волны. Мощные толчки вызываются поперечными волнами, но наиболее разрушительны продольные волны, напоминающие морские волны.
Вопрос. Можно ли землетрясения отнести к колебательному движению? Ответ. Да.
2. Сила землетрясения оценивается по 12 – бальной шкале Рихтера. Незаметные толчки, выявленные только приборами, оцениваются в 1 – 2 бала. Умеренные толчки – дребезжание стекол, раскачивание люстр и т.п. – 4 – 5 баллов. Сильные толчки – появление трещин в стенах – 6-7 баллов. Катастрофические толчки (8 – 12баллов) разрушают здания, раскалывают земную поверхность (Ашхабадское 1948 г., Армянское 1988 г. землетрясения). В год случаются тысячи землетрясений, но лишь 20 – 30 из них – сильные.
Задача. Определите частоту колебаний при 4 бальном землетрясении, если от этих толчков хорошо раскачалась люстра, длина подвеса которой равна 80 см.
Ответ. 0.56 Гц
3. Землетрясения могут стать причиной возникновения гигантских волн-цунами. Самая крупная из них в предыдущем столетии имела высоту 67 метров. Землетрясения могут вызывать опаснейшие грязекаменные потоки (сели), способные привести к страшным разрушениям.
Вопрос. Чему равна амплитуда этих колебаний?
Ответ. 33.5 м
4. У обыкновенной амебы обнаружен так называемый вибротаксис в виде положительной реакции на источник механических колебаний частотой 50 Гц. Это становится понятным, если учесть, что у некоторых видов инфузорий, служащих амебе пищей, частота биения ресничек колеблется как раз между 40 и 60 Гц.
Составьте по этим данным задачу. Подготовьте презентацию.
2 группа.
1. Оказывается цикл вдоха-выдоха у ребенка составляет 35 раз в минуту, 20 раз у подростка и 15 раз у взрослого человека. В среднем наш дыхательный ритм выглядит так: тысячу раз в час, то есть 24 тысячи раз в день, или девять миллионов раз в год.
Вопрос. Как отличается период и частота дыхания ребенка и подростка?
Ответ. Частота дыхания ребенка в 2.3 раза выше, чем у подростка. А период дыхания подростка в 2.3 раза больше, чем у ребенка.
2. Во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью в 27 км, известная в истории как «Дорога жизни». Чтобы ледяной покров под влиянием проходившего по нему потока автомашин не пришел в резонансные колебания и не разрушился, принимали специальные меры. Для этого груз автомашин подбирался таким образом, чтобы частота колебаний ледяного покрова отличалась от частоты, с которой воздействовали на ледяной покров проходившие автомашины.
Задача. А что могло произойти, если бы была допущена ошибка при подсчете массы груза?
Ответ. Вследствие резонанса лед мог треснуть и машины ушли бы под лед.
3. Достигнув на четвертом году жизни половой зрелости, самка беззубки откладывает каждые 50 секунд по яйцу. Общее их количество при этом достигает 300-400 тысяч.
Задача. Определите частоту и период откладывания яиц беззубкой.
Ответ. 0.02 Гц, 50 с.
4. Сердце двустворчатого моллюска беззубки летом сокращается 4 раза в минуту, а зимой делает только одно сокращение в 3 минуты.
Составьте по этим данным задачу. Подготовьте презентацию.
