Интегрированный урок физики и биологии На тему «Запас прочности человека»

Интегрированный урок

(биология + физика) в 7 классе

«Запас прочности человека».

Учитель физики Григорьян В.В.

Учитель биологии Шишкина С.А.

Задачи:

образовательные: углубленное изучение темы "Свойства твердых тел", формирование обширных знаний учащихся о прочнос­ти человеческой основы (скелета), создание в представлении учащих­ся общей картины мира с его единством и многообразием свойств живой и неживой природы, демонстрация единства законов природы, применимость законов физики к живым организмам, установление межпредметных связей физики и биологии для формирования матери­алистических убеждений учащихся;

воспитательные:гуманизация процесса обучения, воспитание бе­режного отношения ко всему живому, целеустремленности и умения сотрудничать в микрогруппе;

развивающие:развитие познавательного интереса учащихся, их индивидуальных способностей, навыков выступления перед аудито­рией, умения работать с дополнительной литературой, научной фан­тазии по предмету.

Цель: расширить кругозор учащихся; выявить, совершенствовать умения и навыки самостоятельной работы учащихся; продолжить развитие наблюдательности и умения делать выводы на основе наблюдаемого интереса к предмету через необычную форму проведения урока, детской любознательности и представлений.

Тип урока: повторительно-обобщающий.

Форма проведения: конференция

Методы и методические приемы:

• Индивидуальная работа с периодической печатью, энциклопедиями, книгами, журналами, Интернетом.

• Чтение вслух

• Самостоятельная работа по составлению сообщений

• Информационно-коммуникационные

Оборудование:плакаты:"Кристаллические решетки твердых тел", "Скелет человека";макеты кристаллических решеток: поваренной соли, алмаза, ме­таллов;макеты скелетов: человека, крота, рыбы, змеи, кошки, птицы;

экспонаты гербария: пшеница, рожь, ячмень, овес.

Ход конференции:

Учитель:Дорогие ребята! Сегодня у нас необычный урок. Мы про­водим научную конференцию по теме: "Запас прочности человека"

Явсех приветствую радушно

На конференции у нас.

Здесь все, кому учить нескучно,

"Ломая" голову подчас,

Читать и думать, открывая

Науки кованую дверь,

Ведь знанья, как алмаз сверкая,

Всех покоряют и теперь.

Решайте трудные задачи

И совершенствуйте умы –

В конце пути всех ждет удача,

Не избежим ее и мы.

Наша конференция завершает раздел "Свойства твердых тел" и позволит нам взглянуть "новыми глазами" на основные понятия дан­ного раздела. Мы будем обсуждать единство свойств живой и нежи­вой природы, которые существуют по единым физическим законам.

Характерной чертой нашего времени является глубокая связь раз­личных отраслей. Произошла научно-техническая революция. Возник­ли новые науки: биофизика и экология, бионика и валеология. Клю­чевыми вопросами этих наук является взаимосвязь человека и всего, что его окружает. В этих областях еще много нового и неразгаданно­го, поэтому девиз нашей конференции таков:

Везде исследуйте всечасно,

Что до конца еще неясно,

Чего еще не видел свет -

Границ Познанью вовсе нет.

Известно ли вам, что изучение строения тела крота помогло инже­нерам создать землеройную машину, наблюдение за дельфинами и рыбами помогает совершенствовать подводные лодки. А наблюдение за полетом птиц и строением их крыльев используется современными инженерами для конструирования самолетов и ракет. Пустоты в тон­ких стеблях злаков, гибко стелющихся под ветром в то время, как ство­лы и ветки деревьев трещат и ломаются, натолкнули ученых на мысль о создании прочной пустотелой рамы велосипеда. И таких примеров можно привести множество. Я надеюсь, что мы их сегодня разберем. Итак, я представляю участников нашей конференции:

1) сотрудники НИИ

2) работники архива

3) конструкторское бюро

4) специалисты Института анатомии

5) хирурги Мединститута им. Илизарова

6) клуб-секция карате

7) мастера Института физкультуры и спорта

Работу нашей конференции будут освещатькорреспонденты газе­ты «ЭКОС» научного общества учащихся школы.

Я желаю плодотворной работы нашей конференции, всем успеш­ного выступления, всеобщего внимания и признания ваших трудов.

Мы вывели следующую формулууспеха:

КПД= E + F + A+ V + U+ q + v + p=100%

что означает: всю свою внутреннюю энергию, силу мышц, работу мозга, емкость легких, напряжение зрения, заряд сердца, скорость мысли и плотность памяти -за высокий КПД работы конференции.

Я предоставляю слово научным сотрудникам исследовательского центра,которые расскажут нам о знаменитой задаче Леонардо да Винчи. Нам он больше известен как художник, но он еще увлеченно занимался физикой и анатомией.

Физика всех увлекает,

Столько загадок вокруг,

Но все загадки решает

Наш разум - товарищ и друг.

Сотрудники НИИ: Каркасом тела человека служит скелет, кото­рый состоит из 200 костей. Они соединены между собой так, что при движении их положение меняется. Кости приводятся в движение мыш­цами, которые прикрепляются к двум различным костям, образуя ры­чаг.

Интересной является задача биомеханики об удерживании рукой груза. Впервые эта задача была поставлена и решена гением эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Будучи одновременно художником, ученым и инженером он интересовался строением человеческого тела. Он нашел способ определения силы, которую в этом случае развивает мышца.

Мы хотим показать вам решение этой задачи. Сейчас задача Лео­нардо по силам любому старшекласснику. Ее решение получается из равенства моментов силы мышцы М и груза Р, относительно точки опоры О. Ученые рассчитали, что максимальный вес груза, который может удержать наша кость, находясь в вертикальном положении, около 60 000 Н.

Мы измерили длину кости плеча а, предплечья в и величину груза Р.

Задача: Какую силу развивает мышца руки человека при подъеме 10 л воды? Каков предел у этой силы?

Дано:Решение:

а= Зсм=0,03 м Рука - рычаг, и для нее справедливо

в=30см=0,3м равенство моментов:

р(Н₂О)=1000кг/м³

V=10h=0,01m³M a = P b

m_B= 1 кг M==

Pмах = 60кН=60000 H

_____________________ _M= =1kH

M -? M мах - ?

Ответ: 1 кН, 600 кН.

Вопрос корреспондента: А существуют ли в скелете животных и человека подобные рычаги?

Ответ:В скелете животных и человека все кости, имеющие неко­торую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека кости конечностей, нижняя челюсть, череп с точкой опоры на первом позвонке, фаланги пальцев. У кошек рычагами являются подвижные когти, у многих рыб - шипы спинного плавника, у двустворчатых моллюсков - створки раковины и др. Длинные ноги оленя определяют его способность к быстрому бегу, а короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при ма­лой скорости.

Вопросоппонента:А можете ли вы объяснить, почему в целях охо­ты борзых предпочитают бульдогу?

Ответ:Длинные челюсти борзой позволяют быстро схватить до­бычу на бегу, а короткие челюсти бульдога хоть сильно держат, но медленно смыкаются.

Вопросоппонента:Как вы считаете, часто ли встречаются личнос­ти, подобные Леонардо да Винчи, совмещающие тонкое художествен­ное искусство и практичную физику? И справедливо ли на ваш взгляд деление людей на две полюсные категории: физиков и лириков?

Ответ:Мы считаем, что в каждом человеке заложено лирическое и практическое начало. В процессе развития человека равновесие мо­жет сместиться в ту или иную сторону, и его склонности начинают формироваться в этом направлении, но гармонично развитым челове­ком считается тот, кто, чувствуя красоту природы, знает суть проис­ходящих в ней процессов. В мировой практике есть случаи, подобные Леонардо да Винчи. Например, М.В. Ломоносов известен нам как физик, химик, математик и в то же время историк, философ и поэт. Не зря говорится, если человек талантлив, то он талантлив во многом.

Архив:Мы думаем, что историческая справка об английском уче­ном Томасе Юнге тоже будет подтверждением этого. Т. Юнг был очень талантлив и трудолюбив. Он - физик, математик, специалист по тех­нологии металлов и сопромату, астрономии и ботанике, зоологии и геодезии, доктор медицины и крупный египтолог. Он знал в совер­шенстве все европейские языки, а также древнееврейский, латинский, арабский, греческий и персидский. В свободное от работы время Юнг выступал в цирке, был прекрасным канатоходцем и наездником. Кро­ме этого он был исключительно тонким знатоком музыки, играл по­чти на всех известных ему музыкальных инструментах.

Учитель:Следующими о прочности кости выступят инженеры кон­структорского бюро:

Удивителен мир природы –

Парадоксы то тут, то там.

Лишь тяга к знаньям и науке

Разобраться поможет нам.

Конструкторское бюро: Изучив эксперименты на растяжение, сжа­тие и изгиб локтевой кости, мы выяснили, что конструкция прочнее, когда имеет наименьший вес. Мы пришли к мысли о том, что строи­тельное искусство природы и человека развиваются по одному прин­ципу - экономии материалов и энергии. Природа в процессе эволюции использовала этот способ уменьшения массы человека и живот­ных для усиления прочности их скелета. Особенно это заметно у птиц. Впервые на это обратил внимание в 1679 году итальянский физик Дж. Борелли: "Тело птицы непропорционально легче, чем у человека или любого четвероногого, т.к. кости у птиц пористые, полые с истончен­ной до предела стенкой. Например, у птицы фрегата, имеющей раз­мах крыльев 2 м, скелет весит 110 г.

Знаменитая Эйфелева башня по своему строению напоминает труб­чатые кости человека: бедренную и берцовую. Для современной архи­тектуры характерно внимание к лучшим образцам живой природы. Ведь современные требования - это прочность и легкость. Поэтому широкое применение получили решетчатые системы. Их прототипа­ми являются системы прожилок листа дерева. На этой основе делают­ся корзины, проволочный каркас абажура, изогнутая решетка балко­на. Итальянский инженер Нерви использовал принцип строения лис­та дерева для зала Туринской выставки, благодаря чему легкая конст­рукция перекрывает без опор 98 -метровый пролет. Здание такого типа похоже на раковину или опрокинутую чашечку цветка.

Вопрос корреспондента: А можете ли вы привести другие примеры аналогий в строениях природы и созданной человеком техники?

Ответ:Да, конечно. Удивление и восторг вызывают земляные работы: создание тоннелей, пещер ведется на основе природных уг­лублений и ям. Ткачество созданных гнезд, ловушек, коконов исполь­зуется в конструировании подобных элементов. Эти постройки отли­чаются удивительной прочностью при малой массе. Строгая геомет­рия шестиугольных ячеек сот - жилищ медоносных пчел и панцирей черепах, образованных из отдельных твердых скорлупок, служит эта­лоном для конструкторов. Так, идею конструкции комфортабельного подводного пятикомнатного дома "Морская звезда" во второй под­водной экспедиции Жака Ива Кусто подсказала настоящая морская звезда. А очертания подводной станции "Силэб" напоминают распла­ставшегося на дне осьминога.

Вопрос оппонента. Чем объясняется исключительная прочность тончайших нитей паутины, способных задержать довольно крупных насекомых: комаров, мух, ос и различных жуков?

Ответ:Поразительная легкость сети паука обеспечивает ее проч­ность по известному принципу минимизации массы. Паутина имеет большую способность к растяжению, поэтому очень эластична.

Учитель:О секретах прочности кости сообщат нам ведущие специ­алисты Института анатомии:

Организм человека - это чудо природы,

Эволюция лишь укрепила породы.

Да какие породы стержень наш составляют –

Даже камню и граниту в прочности не уступают!

Институт анатомии: Нам действительно стоит похвалить Природу за ее осведомленность в вопросах сопротивления материалов. Мы про­анализировали прочность различных материалов на сжатие и растя­жение и их модули Юнга. Из таблицы видно, что кость гораздо проч­нее гранита и бетона, которые считаются образцами прочности.

Кость - композиционный материал. Она состоит из двух различ­ных компонентов - коллагена и минеральных веществ. Минеральный компонент кости - соли кальция. Они составляют 22% общего количе­ства атомов кости. А в мышцах, мозге и крови их 2-3%. Кальций -самый тяжелый химический элемент, поэтому его нахождение в кос­тях делает их ясно видимыми при исследованиях с помощью рентгена.

Но если кость подержать в 5% растворе уксусной кислоты, то каль­ций весь растворится. Оставшаяся кость, состоящая из одного коллаге­на, станет эластичной, как резиновый жгут. Высокая прочность наших костей действительно объясняется их композиционной природой.

Вопрос корреспондента:Как удается тяжелоатлету - штангисту поднимать штангу чудовищной массы в понятиях обычного челове­ка, а гимнастке делать немыслимые по гибкости движения и позы?

Ответ:Из современных исследований следует, что модуль упру­гости для кости и сухожилий при растяжении очень велик, а для мышц вен и артерий очень мал.

Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, равно 80 МН/м. а кость бедра - 130 МН/м. Соединительные ткани в связках обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута в 2,5 раза.

Все это позволяет расширять спортивные возможности человека, но, разумеется, до разумных пределов.

Учитель:Наши докладчики подтвердили старую притчу:

Некто сказал камням:

- "Будьте человечны!"

На что камни ответили:

- "Для этого мы еще

Недостаточно каменны."

А сейчас хирурги Мединститута им. Илизароварасскажут нам о лечении электрическим током костных переломов.

Медицина сильна, не спорим,

Но ее удивляет подчас,

Как выносливы люди бывают,

Сколько выдержки, прочности в нас.

Мединститут им. Илизарова: В течение всей жизни старые костные клетки отмирают, а новые приходят им на смену. Особенно это замет­но в течение первых 30 лет, когда происходит рост костей нашего орга­низма.

Кость растет там, где на нее действует нагрузка, и рассасывается там, где ее нет. Пациенты, долгое время находящиеся в постели без движения, теряют 0,5 г кальция в день, что приводит к уменьшению их костей. В условиях невесомости космонавты теряют до 3 г кальция в день, поэтому они делают специальные физические упражнения. Та­ким образом, кость меняет свою форму и массу при нагрузке.

Важную роль при этом играют изменения электрического поля в костной ткани. Если кость работает на изгиб, то ее вогнутая поверх­ность заряжается отрицательно, а выпуклая положительно.

Напряженность электрического поля при обычных нагрузках око­ло 0,5 В/см. Клинические наблюдения показали, что кость, изменяя свою форму, достраивает костную ткань вогнутых участков и разру­шает в выпуклых, т.е. кость выпрямляется.

Этот метод используется с 1971 года. Результаты электролечения превзошли ожидания: у 84% больных пропускание постоянного тока 10-20 мкА через 3 месяца приводило к срастанию кости в месте пере­лома.

Вопрос корреспондента:Почему лошадь, упав с высоты 2 м, ломает себе ноги, тогда как собака при этом не страдает, а кошка остается невредимой, даже если брошена с 3-4 м.

Ответ:Сила трения о воздух при падении тел пропорциональна площади их сечения. Масса животного пропорциональна его объему. Поэтому при уменьшении размеров падающего животного увеличи­вается сила торможения о воздух. Если сравнить тигра, рысь и кошку, то самой "прочной" окажется кошка.

Вопрос оппонента: На каком законе физики основано электролече­ние переломов?

Ответ:На взаимодействии электрических зарядов выпуклой и вогнутой поверхности.

Учитель:Физику карате представят нам мастера этого клуба.

Карате увлекает многих,

Многим хочется это познать,

Почему человек способен

Глыбы каменные разбивать.

Клуб карате: Прекрасной иллюстрацией прочности кости человека служит популярный вид спортивных упражнений - карате. Изоб­ражение каратиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, обошло страницы многих журналов. Но тому, кто видит такое впер­вые, кажется, что это мистификация. Но даже новичок в карате после недолгой тренировки сможет разбить голой рукой сначала один бру­сок, а потом и несколько.

Карате возникло на острове Окинава. Завоевав в 17 веке остров, японцы отобрали у местных жителей все виды оружия, запретив его производство и импорт. Чтобы защитить себя, окинавцы разработа­ли систему приемов борьбы с помощью пустой (кара) руки (те).

Каратист, в отличие от боксера, концентрирует свой удар на ма­лом участке тела и в течение нескольких миллисекунд может передать в ударе мощность в несколько киловатт.

Используя закон Гука для деформации бруска и формулу потенци­альной энергии, запасенной в руке каратиста, мы получили формулы

Wp=

гдеV - объем бруска

Т - максимальное напряжение, которое выдерживает материал бруска

(предел прочности)

Е - модуль Юнга

Задача: Рассчитайте возможности каратиста, разбивающего бе­тонный брусок размером 0,4 х 0,2 х 0,05 м, если кулак каратиста мас­сой 0,7 кг движется со скоростью 12 м/с.

Дано:Решение:

V = 0,004 м³

Е= 15 х10 Па^{Wp= Wp= =0,55Дж}

Т = 20x10⁵ Па

m = 0,7 кг

v-12м/с Wk= Wk==50дж

________________

W_p-? Wk-?

Ответ: 0,55Дж, 50Дж.

Вопрос корреспондента:Какие секреты из области физики должен знать, прежде всего, будущий каратист?

Ответ:Максимальной прочностью обладают конструкции, состо­ящие из отдельных стержней или пластин, сходящихся под углом 120°. Эти конструкции встречаются и в скелете человека: череп, грудная клет­ка, ладонь, ступня, тазовая кость. Они обладают огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на их выпуклую сторону. Подобная прочность сначала была отмечена наблюдениями в приро­де: оболочка яиц, орехов, панцирей жуков, раков, черепах.

Каратист должен знать, что под удар можно подставить крепкую сводчатую деталь, оберегая уязвимые места, поэтому каратисту при­ходится быстро крутиться, т.к. сопротивление кручению возрастает с увеличением толщины, то органы, рассчитанные на крутильные дви­жения, должны быть длинные и тонкие (как шея птиц или тело змеи).

Учитель:Результаты исследований о важности сухожилий сооб­щат нам мастера спорта по легкой атлетике.

Физкультура и спорт

Совершенствуют нас,

Мы сильнее становимся

В тысячу раз.

Институт физкультуры и спорта: При ходьбе, беге, катании на лы­жах и коньках, приседании человек совершает периодические движе­ния. Для того чтобы заставить автомобиль двигаться подобным обра­зом, нужно каждую секунду нажимать то на акселератор, то на тор­моз. Получается большой расход горючего, т.к. часть энергии перехо­дит в тепло.

Но эксперименты показали, что бег человека и животных далеко не так неэкономичен. Ткани, а особенно сухожилия, как пружины за­пасают механическую энергию. Так как силы трения в них очень малы, то 90% этой энергии может быть обратно преобразовано в кинетичес­кую энергию. Сухожилия обладают большой жесткостью и растяги­ваются на 6% своей исходной длины.

Все эти свойства сухожилий делают их основными запасниками механической энергии во время бега и других циклических движений. Выразительным примером этого служат нижние части конечностей выносливого верблюда, почти лишенные мышечных волокон. А в ноге человека самым мощным является ахиллово сухожилие, на которое при беге действует растягивающая сила до 4000 Н. Каждый может сам легко убедиться в этом. Например, при приседаниях после полного сгибания колен и последующего распрямления потребляется на 22% кислорода меньше, чем после полуторасекундной задержки.

Вопрос оппонента: А какие из известных деформаций человеческое тело испытывает больше всего?

Ответ:Человеческое тело испытывает достаточно большую ме­ханическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. На примере тела че­ловека можно проследить все известные деформации.

Деформацию сжатия испытывают: позвоночник, нижние конечно­сти и ступни. Деформацию растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия и мышцы. Изгиб - позвоночный столб, кости таза и конечностей. Кручения - шея при повороте головы, туловище в пояснице, кисти рук при вращении и т.д.

Учитель:Выступления наших докладчиков показали, что все мы - плоды эволюции. Природа миллионы лет экспериментировала, преж­де чем сделать нас такими, какие мы сейчас есть. Под воздействием различных деформаций с течением времени человек меняется. Напри­мер, стопа, деформируемая обувью, в будущем будет иметь другую форму. Ученые предполагают, что весь облик человека будущего бу­дет иным. Наибольшие размеры будет иметь голова, а на руках оста­нется по три основных пальца. Другие кости уменьшатся в размерах, т.к. физическая нагрузка современного человека ослабевает в резуль­тате глобальной автоматизации производства.

Но мы не должны пассивно ждать, пока природа делает свое дело, мы сами должны себя совершенствовать и физически и духовно.

Скорби, что ты каприз случайный

Природы - Матери всего.

Скорби, что солнце, воздух, тайны -

Тебе случайно все дано.

Гневись на это, поднимайся

И из крупицы развивайся

В жемчужину, в кристалл, в зерно.

Из всех наук, изучающих природу, главенствующее место принад­лежат физике и биологии Все другие науки пользуются их терминологией, мето­дами, приборами. Наша конференция показала торжество физичес­ких идей в самых различных областях: механи­ке и авиации, строительстве и архитектуре, медицине и физической культуре. Думаю, правильно будет сказать:

Биофизика - какая емкость слова!

Биофизика - для нас не просто звук.

Биофизика - опора и основа

Всех без исключения наук.

Дорогие ребята! Наша конференция проходила в форме деловой игры. На ней вы были докторами наук и профессорами, ведущими хирургами и корреспондентами, мастерами спорта и олимпийскими чемпионами.

Я от души желаю всем вам, чтобы знания, полученные в стенах школы, стали для вас прочным фундаментом в дальнейшей жизни. И чтобы в будущем вы действительно заслужили те звания, которые се­годня с достоинством несли.

Благодарю всех за отличную работу на нашей конференции

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/476047-integrirovannyj-urok-fiziki-i-biologii-na-tem