Тема: «Закон сохранения полной механической энергии и его проявление в работе мышечной системы человека»

Алтайский край" href="/text/category/altajskij_kraj/" rel="bookmark">Алтайский край Родинский район Муниципальное образовательное учреждение «Покровская средняя общеобразовательная школа» Тема: «Закон сохранения полной механической энергии и его проявление в работе мышечной системы человека» (интегрированный урок: физика + биология. 10-й класс) Учителя: (учитель физики) (учитель биологии ) Покровка 2006

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ПОЛНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ЕГО ПРОЯВЛЕНИЕ В РАБОТЕ МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА

ЦЕЛИ УРОКА:

Образовательные: освоить понятие полной механической энергии, сущность закона сохранения полной механической энергии; продолжить формирование научно-материалистического мировоззрения; расширить понятие о физике как науке о наиболее общих законах природы; доказать взаимосвязь строения и функции на примере мышечной и соединительной тканей организма человека, обеспечивающих движение и преобразование энергии.

Развивающие: закреплять навык самостоятельной работы и работы в парах, отрабатывать навыки работы с дополнительной литературой, делать обобщения.

Воспитательные: прививать интерес к предметам, воспитывать у учащихся стремление к совершенствованию, к ЗОЖ, к самоорганизации, вырабатывать стремление лучше познать свой организм.

Оборудование: микроскопы, готовые микропрепараты тканей (скелетные мышцы, волокнистая соединительная ткань); плакаты «Системы», «Строение тканей», таблица «Зависимость развития мышц и костей от нагрузки на них»; плакатики с формулами:

шарик на нерастяжимой нити; шарик на горизонтальной пружине; механические фабричные и самодельные игрушки.

Оформление доски: написаны тема урока и эпиграфы.

Литература:

, Биология. Человек. 8-й класс.–М.: Дрофа 1999г.

, Анатомия и физиология человека.–М.: Просвещение, 1999 г.

. Физика -10 – Москва: Дрофа 2003 г.

, Дмитриева задания для проверки знаний учащихся по биологии. / Человек (анатомия, физиология, гигиена). – Москва: Творческий центр, 2000г.

, Утешинский человека – Москва, 2000 г.

Ход урока

Постановка задачи

Учитель физики. Материальный мир един, взаимосвязан (зачитывает строки Тютчева). Но для изучения наук о природе все же удобно делить его на части и подробно рассматривать отдельные явления (или классы явлений) и законы. Таким образом, наши знания разделяются на «физические», «биологические», «химические», «географические» и т. п. А общий объект изучения – ЧЕЛОВЕК + ПРИРОДА со всеми составляющими. Чтобы при изучении этого объекта у вас сформировалось целостное восприятие общих законов окружающего мира, мы и проводим урок ФИЗИКА + БИОЛОГИЯ.

(Объясняются тема и цели урока, учащиеся записывают тему урока.)

Актуализация опорных знаний

Для изучения нового необходимо знать: какая энергия называется потенциальной? Какая энергия называется кинетической? Как вычислить кинетическую энергию? Как вычислить потенциальную энергию тел, взаимодействующих посредством сил тяготения? Как вычислить потенциальную энергию тел, взаимодействующих посредством сил упругости? Как связана работа силы с изменением кинетической энергии? Как называется это утверждение? Как связана работа силы упругости и силы тяжести с изменением потенциальной энергии?

(Учащиеся сопровождают свои ответы показом соответствующих формул на плакатиках, комментируя обозначения физических величин.)

Изучение нового материала

Учитель физики.

Большинство процессов в природе сопровождается превращением энергии из одного в другой, ее передачей от одного тела к другому, от одной части тела к другой.

Рассмотрим две системы:

шарик, закрепленный на нерастяжимой нити, взаимодействующий с Землей и нитью и невзаимодействующий с другими телами; шарик, закрепленный на горизонтальной пружине, которая находится на постоянном уровне относительно поверхности Земли; в этой системе взаимодействуют шарик и пружина.

Как называются системы, где взаимодействие происходит только между телами, входящими в нее? (Повторяется понятие замкнутой системы. Прорабатывается демонстрации с указанными системами, учащиеся наблюдают, делают выводы под руководством учителя. Раздаются карточки с рисунками состояний в обеих системах.)

А теперь, работая в парах, каждый со своим соседом по парте, выполните задание 1:

1. Объясните превращения энергии в указанных системах.

2. Укажите виды энергии в точках B, C, D, M, N – для системы 1; в положениях 1, 2, 3, 4, 5 – для системы 2

(Дети работают. Затем задания проверяются у доски на плакатах, цветным мелом записывают формулы для вычисления энергии, объясняются переходы энергии в соответствующих системах.)

Из каких видов механической энергии складывается энергия системы? (Вводится понятие полной механической энергии как суммы потенциальной и кинетической энергий. Записывается обозначение и формула W = Eп + Eк.)

Из наблюдений следует, что полная энергия имеет свойство сохраняться, т. е. оставаться неизменной: если потенциальная энергия уменьшается, то кинетическая на столько же возрастает, и наоборот: уменьшение кинетической энергии сопровождается увеличением потенциальной.

Выполняем задание 2: используя связь работы силы с изменением кинетической и потенциальной энергией, докажите математически, что полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих посредством сил тяготения и упругости, не изменяется. К доске пойдет… (Учащийся работает у доски:

А = Ек2 – Ек1;

А = - (Еп2 – Еп1).

Ек2 – Ек1 = - (Еп2 – Еп1);

Ек2 – Ек1 = - Еп2 + Еп1.

Ек2 + Еп2 = Ек1 + Еп1.

Полная механи - Полная механи-

ческая энергия в ческая энергия в

конце взаимо - начале взаимо-

действия. действия.

Формулируется вывод, приводящий к закону сохранения полной механической энергии. Проводятся примеры действия закона сохранения и превращения механической энергии на игрушках.)

А в нашем организме действует этот закон? Каким образом? В каких частях нашего тела находятся «пружины», позволяющие нам двигаться, прыгать, бегать?

Физкультминутка. Выполняем прыжки на месте на прямых ногах, а потом – из положения согнув ноги в коленях.

Учитель биологии. Результаты получились разные. Почему? Все мы – плоды эволюции. Природа миллионы лет экспериментировала, прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас. К сожалению, не нам с вами судить о результатах эксперимента в интеллектуальной сфере. Однако мы вполне можем быть объективны, обсуждая элементы механической конструкции нашего тела, сравнивая их по параметрам с элементами, используемыми в технике. Каркасом нашего тела служит скелет, состоящий приблизительно из 200 костей. Они скрепляются с помощью 656 скелетных мышц, которые и приводят их в движение. Мышцы прикрепляются к костям сухожилиями. Для понимания результатов нашего опыта необходимо знать строение мышечных (гладкой и поперечно-полосатой) тканей и соединительной ткани сухожилий. Работаем у доски с плакатом «Строение тканей». (Учащиеся, выходя к доске, рассказывают о строении указанных тканей, отмечают связь строения с функцией.)

Учащиеся. Скелетная мышечная ткань состоит из параллельных мышечных клеток (волокон) диаметром от 0,01 до 0,1 мм и длиной до нескольких сантиметров. В каждом волокне содержится до 2,5 тыс. тонких мышечных клеток – фибрилл, - имеющих характерную исчерченность, которая обусловлена правильной периодичностью продольной структуры. Фибрилла состоит из повторяющихся отрезков – саркомеров, разделенных Z- дисками. Длина саркомера в расслабленной мышце около 2,5 мкм. От Z- диска в обе стороны тянутся очень тонкие нити (диаметром около 0,005 мкм, белок актин), перемежающиеся с толстыми (диаметром около 0,01 мкм, белок миозин). Длина миозиновых нитей около 1,5 мкм, а актиновых – 1-1,3 мкм. При возбуждении миозиновые нити сокращаются, скользя относительно актиновых, расстояние между Z- дисками сокращается, мышца укорачивается, кости приходят в движение. Если трение увеличивается, то быстро наступает утомление. Основная функция – двигательная. Основные свойства – возбудимость и сократимость.

[ Сердце образовано специальной (особой) мышечной тканью, которая способна ритмично сокращаться].

…Соединительная ткань сухожилий – волокнистая, ее клетки расположены рыхло, имеется много межклеточного вещества, в состав которого входят волокна из белка коллагена. Основная функция – опорная.

Учитель биологии. Проведем проверочное тестирование. (Открывает доску с записью трех вариантов проверочной работы.)

I ВАРИАНТ. Выберите из каждой группы ответов по одному, составив характеристику ткани.

1. Скелетная мышца - …

2. Сердечная мышца - …

3. Гладкая мышца - …

– тонкие волокна без полос, – поперечно-полосатые волокна, – переплетенные поперечно-полосатые волокна,

7. сокращается быстро, автоматически.

8. сокращается медленно, есть во всех внутренних органах.

9. сокращается произвольно.

II ВАРИАНТ. Выберите правильный ответ из предложенных.

Сухожилия мышц состоят из:

а) волокнистой соединительной ткани;

б) гладкой мышечной и волокнистой тканей;

в) поперечно-полосатой мышечной ткани;

г) гладкой мышцы.

Сухожилиями свойственны:

а) упругость и растяжимость;

б) сократимость и упругость;

в) растяжимость и сократимость.

Оболочка на скелетной мышце образована:

а) соединительной тканью;

б) покровной тканью;

в) мышечной тканью;

г) Правильный ответ не указан.

III ВАРИАНТ.

Свойства мышечной ткани:

а) возбудимость и проводимость;

б) возбудимость и сократимость;

в) сократимость;

г) проводимость

Поперечно-полосатая мышечная ткань есть:

а) во всех органах;

б) в скелетной мышце;

в) в кровеносных сосудах;

г) носовых полостях.

3. Миофибриллы – это:

а) мышечное волокно;

б) сократительные нити внутри волокна;

в) гладкие мышцы;

г) разновидность мышечной ткани.

Учитель биологии. Проверим, правильно ли вы ответили. (Открывает записанные на доске ответы: I вар.: 159, 267, 348; II вар.: 1а; 2а; 3а; III вар.: 1б; 2б; 3б; )

Давайте проведем физкультминутку, которая позволит вам убедится, что механическая энергия запасается в ваших ногах, как в пружинах. Попробуйте присесть, как можно сильнее согнув колени, а затем поднимайтесь. В одном случае – выпрямляя ноги медленно, а в другом – резко. (Дети выполняют упражнения.)

Учащиеся. В первом случае подниматься сложнее, чем во втором.

Учитель биологии. Мышцы и сухожилия играют роль своеобразных пружин, в них может запасаться механическая энергия. Сухожилия лучше подходят для «хранения» потенциальной энергии, т. к. сила внутреннего трения в них очень мала, и около 90% этой энергии может быть преобразовано в кинетическую. Кроме того, сухожилия обладают большей жесткостью, чем мышцы, они могут без повреждения растягиваться на 6% (благодаря коллагену), а мышца – только на 3%. Именно в сухожилиях хранится механическая энергия. Которая при необходимости преобразуется в кинетическую.

Когда колени согнуты, часть мышц напряжена, сухожилия растянуты. Если перед подъемом сухожилиям не дать укоротиться, запасенная в них потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Если же позволить им укоротиться, то эта энергия перейдет в тепло. У нас в ноге – самое мощное сухожилие, «ахиллово» - при беге на него действует растягивающая сила до 4000 Н.

Закрепление

Учитель физики. Давайте вместе решим, что происходит с энергией при ударе мяча об пол (обсуждает с классом, делает чертеж).

А теперь обсудим, какие силы действуют на ноги во время бега или ходьбы. Человек попеременно то уменьшает свою скорость до нуля, тормозя при соприкосновении с землей, то ускоряется, отталкиваясь от земли. Чтобы заставить так двигаться автомобиль, нужно было бы нажимать то на акселератор, то на тормоз.

Были проведены эксперименты, где оценивались энергетические затраты во время бега на тензометрической платформе с проведением одновременной съемки. Результаты показали, что в фазе торможения кинетическая энергия полностью переходит в тепло.

По-другому оценить энергетические затраты бегуна можно, измерив потребление им кислорода и зная, сколько энергии выделяется при потреблении 1 г кислорода. Полученные этим способом результаты оказались в 2-3 раза меньше тех, которые определялись тензометрическим способом. Таким образом, предположение о том, что вся кинетическая энергия переходит в тепло в фазе торможения, неверно. Часть энергии хранится в эластичных тканях ног в виде потенциальной энергии деформации и переходит опять в кинетическую в фазе ускорения. Подобное происходит и при отскакивании мяча от пола.

Выполним практическую работу: пожалуйста, измерьте у себя окружность икроножной мышцы. (Дети измеряют, записывают результат, учитель обращает внимание класса на таблицу «Зависимость развития мышц и костей от нагрузки на них».) Что у нас получилось? Результаты совпадают с данными таблицы: у тех кто постоянно посещает физкультуру, окружность в среднем 42 см; у нерегулярно посещающих – 39-40 см; у разрядников – 43-44 см. Обратите внимание также на увеличение прочности костей с увеличением нагрузки.

Делаем вывод: чем сильнее развиты мышцы тела, тем прочнее скелет, тем крепче кости, тем более они устойчивы к нагрузкам и тем меньше вероятность получения травм: увеличивается количество миофибрилл в мышце, площадь соприкосновения с костью увеличивается, кость растет вширь, опорная функция усиливается.

Решим задачу. В своих показательных выступлениях каратисты разбивают рукой кирпичи размером 0,4 х 0,2 х 0,05 м, чтобы такой кирпич разбить, нужно затратить энергию 0,55 Дж. Рассчитайте, хватит ли энергии, если скорость руки в момент удара 12м/с, масса руки 0,7 кг.

Решение

Ответ. Энергии руки хватит еще на 90 кирпичей.

Домашнее задание.

По учебнику “Физика”: §35, по учебнику “Биология-8”, стр. 106-113.

Учитель биологии. Закончить этот урок хотелось бы словами Д. Хевиши: «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока не удается связать воедино раздробленные факты, им наблюдаемые».