Задачи о живой природе на уроках физики или физика на уроках биологии

Задачи О ЖИВОЙ ПРИРОДЕ НА УРОКАХ физики

ИЛИ

ФИЗИКА НА УРОКАХ БИОЛОГИИ

,

 

Витебский государственный университет им. П. М. Машерова,
заведующий кафедрой общей физики и астрономии,
кандидат педагогических наук, доцент

Сегодня уже никто не сомневается в том, что среди глобальных, жизненно важных проблем, стоящих перед человечеством, первостепенное значение приобрели проблемы экологии. Стало очевидно, что преодолеть экологический кризис только одними техническими средствами уже невозможно. Человечество уже осознало, что основой взаимоотношений с природой должно лежать массовое экологическое образование, на основе которого затем уже решаются экологические проблемы.

Реализация целей экологического образования в целом возможна, если оно будет пронизывать содержание всех традиционных учебных предметов. Наряду с другими дисциплинами велико значение курса физики, поскольку именно физика как наука о природе даёт учащимся представление о целостности природы, взаимосвязанности и взаимообусловленности происходящих в ней процессов, причинно-следственных связях природных явлений, источниках «физического» загрязнения окружающей среды. Физика формирует научную картину мира и понимание необходимости регулирования взаимодействия общества и природы с целью сохранения между ними равновесия и предотвращения негативных последствий научно-технического прогресса, позволяет рассмотреть с учениками пути преодоления конкретных экологических кризисных ситуаций, показать им важность в этом отношении науки и техники.

Эффективность современного школьного курса физики в этом направлении довольно низка. Учителя физики экологическому образованию практически не уделяют внимания. Экологический материал включается в содержание уроков физики либо фрагментарно, либо вовсе не используется, такой материал учителя физики считают дополнительным, иллюстративным, а значит необязательным и второстепенным.

Несмотря на значительное количество исследований, посвященных экологическому образованию, содержание, формы и методы экологического образования в процессе обучения физике разработаны не в полной мере.

Для эффективного формирования у школьников экологических знаний и умений при изучении физики необходимо реализовать обучение с опорой на личный опыт взаимодействия учащихся с окружающей средой, на самостоятельную деятельность по изучению, анализу состояния окружающей среды, определению мер по улучшению экологической ситуации и на решение конкретных экологических проблем.

Одним из приемов, позволяющих повысить интерес учащихся к физике и побудить их к осознанию и пониманию экологических проблем, является «вкрапление» в содержание физических задач экологической составляющей, что будет интегрировано способствовать улучшению качества физического и экологического образования.

Отметим, что за время обучения в школе учащиеся решают около тысячи качественных и расчетных физических задач, затрачивая на них примерно треть всего учебного времени. Как видим, важнейшим элементом изучения основ физики является решение задач. Здесь же заложен воспитательный потенциал по формированию экологических взглядов учащихся. Наибольший воспитательный потенциал задачи с экологическим содержанием достигается тогда, когда в ее содержании имеются интересные цифры и факты, а также иллюстрации. Решение таких физических задач — одно из важнейших средств развития мыслительных, творческих способностей учащихся. Часто на уроках проблемные ситуации создаются с помощью задач, а этим активизируется мыслительная деятельность учащихся.

Еще со времени Аристотеля мир живых существ делят на царство животных и царство растений. Поэтому подборку предлагаемых задач мы условно разделили на две части.

Задачи о животных, птицах и насекомых

Задача 1. Для чего в сильную жару слон расправляет уши против ветра? Ответ. Для теплоотдачи. Большая и сравнительно тонкая поверхность ушей пронизана огромным количеством кровеносных сосудов. Кровь охлаждается — охлаждается тело слона. Поверхность тела слона относительно невелика в сравнении с его массой, отсюда трудности с охлаждением организма, путем теплоотдачи. Слоны любят при любой возможности обливаться водой, валяться в жидкой грязи, обсыпают себя песком, чтобы создать водозадерживающую оболочку. Это позволяет слону эффективно охлаждаться, используя небольшое количество воды.

Задача 2. Есть народная примета: «Если собака или кошка спит, свернувшись клубком, будет похолодание». Объясните эту примету. Ответ. В холодную погоду многие животные сворачиваются в клубок для уменьшения общей поверхности тела, чтобы снизить теплоотдачу. В жару, наоборот, животные стараются увеличить площадь открытых участков тела.

Задача 3. Кому легче и кому труднее передвигаться по заболоченной почве — лошади или корове? Почему?

Ответ. У лошадей (непарнокопытных) при вытаскивании ног из вязкой почвы под копытами создается пониженное давление, и наружное атмосферное давление затрудняет движение ног. У парнокопытных животных при нажиме на почву копыта раздвигаются, а при вытаскивании ног сближаются, и вокруг них свободно проходит воздух.

Задача 4. Почему у кошек светятся глаза в темноте? Ответ. В полной темноте глаза кошки не будут светиться. Это объясняется тем, что они сами не излучают свет, а только отражают те лучи, которые в них попадают. Глаза светятся и у других животных, но общаемся мы чаще всего с кошками, поэтому многие считают, что это характерно только для кошек. Кстати, светящиеся в темноте глаза кошек нанесли большой ущерб «репутации» этих животных. На протяжении веков чёрные кошки считались спутниками ведьм, а убеждение, что глаза кошек светятся сами, дожило до наших дней.

Задача 5. Природа снабдила полярных медведей белым мехом. С одной стороны, это хорошо: позволяет маскироваться во льдах и снегах. С другой, — очень неудобно: в полярных областях солнце еле греет. Чтобы полнее использовать солнечное тепло, медведю следовало бы иметь чёрную шкуру, которая поглощает солнечные лучи. Как всё-таки устроена шуба медведя? Каким образом природа решила противоречие: шуба должна быть белой, чтобы медведь мог маскироваться во льдах, и в то же время должна быть чёрной, чтобы поглощать солнечные лучи. Ответ. Волоски шубы медведя пустотелые, внутренняя поверхность их шероховатая. Видимый свет отражается неровностями внутри волосков. Именно поэтому шкура медведя кажется глазу наблюдателя белой. В тоже время невидимые (ультрафиолетовые и инфракрасные) лучи проходят сквозь пустотелые волоски почти без потерь. Под белыми волосами шкура медведя имеет совершенно чёрный цвет и хорошо воспринимает энергию солнечных лучей, подведенных к ней пустотелыми волосами.

Задача 6. Почему при падении кошка чаще всего приземляется на лапы? Даже бесхвостые кошки обладают этой способностью. Как объяснить этот факт? Ответ. Кошки абсолютно равнодушны к высоте, которая пугает большинство других животных (в том числе и людей). Кошки зачастую выживают после таких падений, которые погубили бы любого из нас. У них есть великолепный внутренний «гироскоп», расположенный во внутреннем ухе. Если кошка падает спиной вниз, она быстро ориентируется в пространстве и, изогнувшись, поворачивается в воздухе лапами вниз, не пролетев и полутора метров. Падающая кошка прижимает лапы и хвост к туловищу, ускоряя этим вращение (закон сохранения момента количества движения). Как только она займет положение лапами вниз, она их отводит, вращение прекращается, и кошка упруго приземляется на конечности. Еще одно преимущество кошки, состоит в том, что она умеет сгибать лапы, чтобы распределить силу удара по суставам и мышцам. Уж если мы лишены кошачьего гироскопа, то было бы нелишним поучиться у кошек сгибать ноги, обеспечивая тем самым большую безопасность при падении и прыжках.

Задача 7. Животные часто гибнут под колесами машин ночью, перебегая шоссе... Исключить такие случаи, построив забор на протяженности всего шоссе — нереально. Как предупредить животных о приближающейся машине? Ответ. Автомобиль может сам ночью предупреждать животных о своём приближении. Для этого используются отражатели света от фар. Например, прикрепленные к придорожным столбикам гладко отполированные пластинки. Они будут отбрасывать свет от приближающегося транспорта на обочину и опушку, предупреждая животных об опасности. Применение подобных пластинок в Швеции снизило несчастные случаи на шоссе примерно на 60–70 %.

Задача 8. Почему крупные птицы во время дальних перелетов летят каким-либо строем (клином, косяком), а мелкие — неоформленной стаей? Ответ. При взмахах крыльев крупных птиц возникают мощные воздушные потоки, которые могут мешать другим близко летящим птицам. Расположенные строем крупные птицы тратят меньше энергии при полете. Для мелких птиц этот фактор не имеет существенного значения.

Задача 9. Почему гуси и утки ходят, переваливаясь с ноги на ногу? Ответ. Анатомической особенностью гусей и уток, в отличие от других птиц, является то, что у них короткие и широко расставленные лапы. Поэтому, чтобы сохранить равновесие при ходьбе, им приходится переваливать своё тело так, чтобы вертикаль от центра тяжести тела проходила через точку опоры, то есть через лапу.

Задача 10. У большинства птиц при полете слышен звук крыльев. Например, у ворона при полете слышен скрип перьев, полеты уток сопровождаются свистом. Однако услышать приближение совы совершенно невозможно, даже если она пролетает над вами так низко, что её можно схватить рукой. Как удаётся сове летать бесшумно? Ответ. Передний край крыльев совы снабжен маленькими зубчиками. Зубцы разбивают большие воздушные струи на множество мелких, что приво­дит к изменению частоты звуковых колебаний и изменению их амплитуды. Задний край крыльев совы тоже снабжен своеобразным глушителем — мягкой бахромой, которая уничтожает воздушные завихрения позади крыльев. Пуши­стое оперение верхней поверхности крыльев, да и всего тела совы, действует по принципу глушителя: мягкий пух заглушает возникающие в полете звуки.

Задача 11. В болотах и маленьких озерах вблизи аэродромов часто се­лятся птицы. Но птицы мешают полетам. Столкновение самолета при взлете или при посадке угрожает гибелью не только птице, но и машине, пилоту и пассажирами. Как быть? Ответ. Задача имеет много решений — вот некоторые из них. а) Например, лебеди, после того, как выберут себе место для поселения, не допускают к нему других. Когда же они видят, что любимый район занят их сородичами, то никогда не останавливаются близко около них. Поэтому делаются бутафорские копии птиц и располагаются возле аэродрома. б) Устраивают «столовую для птиц» — свалку пищевых отходов, отвлекающую их от аэродрома. в) Используют «акустические пугала» — периодическая трансляция записанных на магнитофон птичьих «сигналов бедствия». Крики испуга транслируют перед каждым возобновлением полетов через громкоговорители, установленные вдоль всей взлетной дорожки. Услышав эти крики, птицы, словно по команде, отлетают на несколько сот метров от взлетных дорожек или совсем улетают с аэродрома; «привыкания» к крику у них не наблюдается. г) На фюзеляже самолетов помещают изображение хорошо знакомого птицам увеличенного глаза хищной птицы.

Задача 12. Почему соты пчёл устроены в виде шестигранников? Ответ. Пчёлы от природы наделены инстинктом, позволяющим строить соты именно такой, а не другой формы. Плоскость можно покрыть без зазоров лишь следующими фигурами: равносторонними треугольниками, квадратами и правильными шестиугольниками. Среди этих фигур правильный шестиугольник покрывает наибольшую площадь. Пчелы же стремятся строить как можно более вместительные соты, чтобы запасти побольше мёда. Здесь ни при чём ни материал (воск), ни тельца пчел, ни их рост. Угол между гранями составляет 120° — этим достигается максимальная прочность при минимальном расходе материала.

Задача 13. В теплый летний вечер можно наблюдать, как над головой одного человека кружит целое облако комаров, а над стоящим рядом — их нет. Как это можно объяснить? Почему одних людей комары кусают, а других нет? Ответ. Физики это объясняют следующим образом: люди излучают в окружающее пространство неодинаковое количество тепла. Человек, излучающий большее количество тепла, будет привлекать к себе больше комаров. Пытаясь отогнать их, этот человек совершает мышечную работу и тем самым еще больше поднимает температуру своего тела, а следовательно, еще больше привлекает к себе комаров. Биологи и химики утверждают, что комары наделены необыкновенно сильным обонянием и их притягивают определенные запахи, но учёные всё никак не могли определить какие именно из 300-400 химических составов, выделяемых человеческим телом, прельщают комаров. Отметим, что синтез химических элементов, отталкивающих комаров и других насекомых, пришёлся весьма кстати — при создании репеллентов.

Задача 14. Почему мелкие насекомые (например, муравьи), падая на землю с большой высоты, остаются невредимыми, а крупные животные гибнут? Ответ. Здесь две причины. Первая состоит в том, что когда падает крупное животное, нижние части его тела прекращают при ударе своё движение, а верхние ещё продолжают двигаться. В итоге нижние части тела животного травмируются частями, оказавшимися сверху. У мелких животных и насекомых из-за их малых размеров при ударе о препятствие прекращают движение почти сразу все части тела. Вторая причина состоит в том, что скорость падения насекомых в воздухе гораздо ниже падения крупных животных. Это происходит из-за того, что масса животного прямо пропорциональна кубу его линейных размеров, а поверхность — квадрату линейных размеров. Следовательно, с уменьшением размеров тела его объём убывает значительно быстрее, чем поверхность. Сопротивление движению в воздухе зависит от поверхности падающего тела. Поэтому мелкие животные испытывают большее сопротивление, чем крупные, так как у них на единицу веса приходится большая поверхность. В итоге падающие с высоты насекомые как бы парят в воздухе, а удар о землю у них не такой жёсткий, как у крупных животных.

Задача 15. Каким образом пиявки присасываются к своей добыче? Ответ. Рассмотрим действие присосок, которыми обладают пиявки, головоногие и другие. Они представляют собой полушарообразные небольшие части с липкими краями и сильно развитой мускулатурой. Края их прилипают к добыче, либо к опоре, затем объём присоски при помощи мускулов увеличивается, а давление внутри её падает, вследствие этого атмосферное давление (или давление воды) сильно прижимает присоску к поверхности.

Задачи о растениях

Задача 16. Почему овёс по сравнению с другими зерновыми культурами меньше всего подвержен полеганию от сильного ветра? Ответ. Колос овса имеет возможность поворачиваться в направлении ветра, что значительно уменьшает давление на него потока воздуха. Поэтому стебли этих растений не ломаются и не полегают.

Задача 17. К сожалению, некоторые люди не покупают ёлку к Новому году, а просто вырубают её в лесу у шоссе. Убытки огромны. Что делать? Не сторожить же огромные массивы леса? Ответ. Например, в Германии решили эту проблему так: деревья у шоссе опрыскивают специальным препаратом, запах которого отвратителен. Правда, в холодную погоду он не ощутим. А вот в закрытом и теплом человеческом жилище встречать Новый год придётся в противогазе... Отметим, что природный газ (метан) и сжиженные газы (пропан-бутаны) изначально не имеют запаха, поэтому любая их утечка из закрытой системы может быть обнаружена только специальными датчиками. Поскольку такие газы, широко применяемые на промышленных объектах и в быту, в случае утечки могут вызывать сильные отравления и создать взрывоопасную среду, возникает потребность оперативного выявления наличия газа в окружающем воздухе без применения специальных технических устройств. Эту проблему решают путем добавления в газ веществ, имеющих резко выраженный запах. Такие вещества, придающие газу специфический запах, называют одорантами.

Задача 18. Почему цветки растений, цветущих ранней весной, в основном имеют фиолетовую и лиловую окраску? Ответ. Это позволяет им поглощать больше солнечной энергии. Коэффициент поглощения солнечного излучения для этих цветов составляет около 0,8, в то же время, как например, для зелёной поверхности этот коэффициент составляет примерно 0,4–0,5.

Задача 19. Почему при ручной прополке сорняков нельзя выдёргивать их из земли рывком? Ответ. При действии рывком обрыв стеблей (в связи с их малой прочностью) происходит раньше, чем успевают прийти в движение корни растений. После неправильной прополки сорняки вновь быстро отрастают из оставшихся в земле корней.

Задача 20. Почему капельки дождя повисают на траве и листьях растений и некоторое время не падают вниз? От чего зависит их форма? Ответ. Это происходит благодаря молекулярным силам сцепления. В обычных земных условиях на смачиваемых поверхностях капли обычно растекаются, а на несмачиваемых — принимают форму сплюснутых шаров.

Задача 21. Почему так трудно вытащить из земли большую свеклу, редьку или репу? Ответ. У растений, имеющих корнеплоды, таких, как морковь, свекла, брюква, сила трения о грунт способствует удержанию их в почве. С ростом корнеплода давление окружающей земли на него увеличивается, а это значит, что сила трения тоже возрастает.

Задача 22. Горох, хмель, лианы и другие вьющиеся растения могут цепляться за находящиеся поблизости опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Почему растение довольно прочно удерживается на опоре? Ответ. В жизни многих растений трение играет положительную роль. Между опорой и стеблем возникает достаточно большое трение, так как стебли многократно обвивают опоры и очень плотно прилегают к ним.

Задача 23. Почему во время урагана чаще всего ломаются сосны, а ели выворачиваются с корнем?

Ответ. Корневая система ели — поверхностная, у неё хорошо развиты поверхностные и боковые корни, стержневой корень отсутствует или его трудно обнаружить. У растений с поверхностной корневой системой основные корни растут горизонтально. Растения этой группы менее устойчивы к воздействию внешней среды – засухе, не ветроустойчивы. Для сосны характерна поверхностно-стержневая корневая система — стержневой и боковые корни хорошо развиты, причём последние располагаются в поверхностном горизонте почвы. Сосна в связи с этим более устойчива к ветровой нагрузке. При очень сильном ветре ломается ствол дерева, но корни прочно удерживаются в почве.

Задача 24. Почему овощные культуры, боящиеся заморозков, лучше сажать на участках, расположенных у озёр, прудов, рек, чем на участках, находящихся вдали от водоема? Ответ. Благодаря значительной тепловой инерции водной массы, водоём создает определенный микроклимат прилегающей территории, снижает вероятность повреждения овощных культур и завязей на плодовых деревьях при весенних заморозках.

Задача 25. В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун проводил с помощью микроскопа исследования взвешенной в воде пыльцы растений. Он увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Учёный установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с её постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Какова истинная причина перемещений пыльцы? Ответ. Объяснить это явление ученые не могли в течение многих лет. Перемещения частиц были совершенно беспорядочны: зарисовки их положения, сделанные в разные моменты времени (например, каждую минуту) не давали на первый взгляд никакой возможности найти в этих движениях какую-либо закономерность. Примерно так же должны перемещаться маленькая веточка или жучок, которых толкают (или тянут) в разные стороны множество муравьев. Сейчас доподлинно известно, что этими «муравьями», толкающими частички пыльцы, являются молекулы воды. Факт существования броуновского движения однозначно доказывал молекулярное строение материи.

Посредством представленных задач мы попытались взглянуть на вопросы и проблемы биологии сквозь призму физических знаний. Животные и растения неотделимы от окружающей среды и все физиологические процессы тесно взаимосвязаны с условиями неживой природы, изучением которой занимается физика и другие науки. Подборки подобных задач позволят учителю более эффективно проводить интегрированные уроки и внеклассные мероприятия по схемам: «физика+биология», «экология+физика», «химия+физика» и т. п.