Физические исследования сквозь призму живой природы.

Физические методы исследования сквозь призму живой природы.
Автор: Саенко Н.В. учитель физики
МБОУ СОШ№4 с УИОП г. Батайск

Человек – часть природы и может существовать лишь, охраняя её. 2017 год в России объявлен годом экологии. Решать экологические проблемы современности — это трудная задача, а вот учить подрастающее поколение уважению к природе, прививать культурные навыки обращения с природой – это посильная задача для педагогов и родителей.

Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих различным дисциплинам. Особенно это относится к дисциплинам естественного цикла: физика, биология, химия, экология и математика.

Физические исследования широко используются при изучении живой и неживой природы. Приведу примеры:

- В реках Западной Африки водится маленькая рыбка – убанги из семейства клюворылых. Она обитает в очень замутненных водоемах, и не может ориентироваться с помощью зрения. Поэтому она использует эхолокацию, излучая электрические импульсы частотой 200-800Гц. Замечено, что частота испускания импульсов тем выше, чем лучше качество воды. Ученые задумываются, нельзя ли использовать эту особенность рыбки для контроля за качеством воды в реках? Как ориентируются рыбки – убанги? (Она воспринимает изменение конфигурации электрического поля)

- Во время шторма трение волн о воздух порождает инфразвуки, которые с большой скоростью распространяются по воде. Недоступные для человеческого слуха звуки воспринимают морские животные – медузы. Они за много часов узнают о приближении шторма. У медузы есть стебелек, оканчивающийся шариком с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончание нерва. Первой воспринимает «голос» шторма – инфразвуки с частотой 8-13 Гц – колба с жидкостью, затем через камешки этот «голос» передается нервам. Изучение органов медузы, воспринимающих инфразвуки, позволило ученым построить прибор, предсказывающий приближение шторма за 15 часов.

Рассматривая подобные вопросы на уроках физики, мы рассматриваем связь физики и биологии, показываем общность законов живой и неживой природы, даем представление о единстве мира. Физика – наука о природе. Характерной приметой нашего времени является возникновение ряда комплексных наук, таких как биофизика. Биофизика – наука, изучающая действие физических факторов на живые организмы. Она родоначальница других наук – бионики, медицинской биофизики и других.

В этой статье я хочу поделиться методикой моей работы с биофизическим материалом.
Современные требования к уроку в рамках ФГОС реализуют деятельностный подход в обучении физики, который способствует формированию познавательного интереса учащихся.

Интересный познавательный материал нахожу как сама, так и учащиеся, используя различные виды источников.

1. Э.М. Броверман. Вечера по физике в средней школе- М: Просвещение, 1969
2. Е. Голубева Занимательное естествознание Нескучный учебник - Санкт –Петербург, Тригон, 1997
3. А.И. Семке Игры на уроках и после- М: Чистые пруды, 2007
4. Первое Сентября «Физика», №31, 2002
5. Л.А. Кирик Физика Обучающие тесты 7,8 классы М: Илекса, 2009

Такой интегрированный материал можно использовать как на уроках физики, так и при проведении дополнительных предпрофильных и элективных курсов. Например, предпрофельный курс по физике «Физические исследования».

На одном из занятий такого курса мы рассматривали: каковы приспособления растительного и животного мира к различным температурным режимам? На другом, удивительные свойства воды и безопасность человека на воде.

Обеспечить развитие творческой самостоятельности обучающихся может только соответствующая система специально продуманных проблемных ситуаций по каждой теме с учетом индивидуальных возможностей. Правильно поставленная учебная проблема отражает объективно существующее противоречие между новыми опытными фактами и имеющимися теоретическими противоречиями.

Приведу примеры некоторых разделов физики, где использую биологический материал.

7 класс

Тема урока: «Плотность вещества»

Урок начинаю со слов: «в Италии, близ Неаполя, есть знаменитая «Собачья пещера». В ней непрерывно выделяется и скапливается внизу углекислый газ. Человек беспрепятственно может зайти в эту пещеру, а для собаки же такая прогулка закончится плохо». Почему? Ответ на этот вопрос заставляет задуматься всех и сильных и слабых учеников.

Тема урока: «Диффузия»

Перед изучением этой темы даю на дом опережающее задание:

• как поступают питательные вещества из почвы в растения?
• как происходит засолка овощей на зиму?
• в комнате в вазе стоят лилии. Почувствуете ли вы запах цветов в другой комнате?

Тема урока: «Архимедова сила»

• Почему у рыб и морских животных менее массивный скелет по сравнению со скелетом млекопитающих, атрофированы конечности?
• Почему оттаивание воды ведет её к очищению нерастворимых в ней веществ?
• Ихтиандр, герой романа А. Беляева «Человек –амфибия» рассказывает: «Я приручил дельфина. Бедный! Буря однажды выбросила его на берег, и он сильно разбил плавник. Я стащил его в воду. Это была трудная работа: дельфины на суше гораздо тяжелее, чем в воде. Вообще у вас тут все тяжелее. Даже собственное тело. В воде легче живется.» Чем это объясняется?

8 класс

Изучая закон сохранения энергии в тепловых процессах, даю опережающее задание: «приведите примеры превращения энергии Солнца в другие виды энергии в биологических процессах. Можно использовать учебник биологии и другие ресурсы»

Тема урока: «Тепловые явления»

Урок же начинаю со следующего сообщения – вопроса: «Любой живой организм – сложная система, в которой происходят превращение одного вида энергии в другой. Организм получает энергию из пищи, расходует её на построение клеток, движение и другие действия. Биофизика исследует вопрос, как происходит энергетический обмен на молекулярном уровне и во всем организме в целом. Почему в холод многие животные сворачиваются в клубок, а в жару стремятся увеличить свою свободную поверхность?

(Таким образом, регулируется температура тела). Или такой исторический факт: «Физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов. Однажды кто-то глубокомысленно заметил: «Странный выбор кур разводить и то интереснее» Нернст невозмутимо ответил: «Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство». Справедливо ли замечание ученого? Почему рыбы и многие животные, живущие в воде, имеют температуру, мало отличающуюся от температуры среды обитания?

Тема урока: «Электрические явления»

Электрическое сопротивление человеческого тела определяется в основном
сопротивлением поверхностного рогового слоя кожи (эпидермиса). В зависимости от состояния кожи, пути тока и электрического напряжения сопротивление тела человека изменяется. Так, при прохождении тока от плеча к ноге сопротивление составляет 1,1 кОм при напряжении 220В. Определите силу тока (0,2А)

9 класс

Обширный биофизический материал можно привлечь при изучении сил трения. Проблемные вопросы, учащиеся получают в качестве домашнего задания.

Тема урока: «Сила трения»

- У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания, которые должны иметь достаточный коэффициент трения. Как это достигается?

- Многие живые организмы имеют приспособления, которые по-разному изменяют сопротивление движению в разных направлениях. Назовите эти приспособления и эти организмы.

Каким образом достигается увеличение и уменьшение трения?

- Что такое жидкое трение? Как его уменьшить?

Тема урока: «Скорость»

Обращаю внимание на интересный факт.

- Для строителей судоремонтного завода одной из главных проблем является преодоление большого сопротивления. По мере увеличения скорости сопротивление быстро растет, что требует значительного повышения мощности двигателя. Поэтому судостроители и ученые изучают особенности строения тех обитателей морей и океанов, которые обладают хорошими гидродинамическими качествами, в надежде четко скопировать их и воплотить в новых строениях кораблей. В Японии, например, построили океанское судно, напоминающее по форме кита. Оказалось, что оно на 25% экономичнее кораблей такого же водоизмещения, но обычной формы. Корпус одной из американских подводных лодок выполнен наподобие тела быстроходной рыбы тунца; судно отличается высокой маневренностью.

- Известна большая скорость движения дельфинов; достижению её способствует особое строение кожи животных. Немецкий инженер К. Крамер создал для судов специальное демпфирующее покрытие–ломинфло - похожее на дельфинью кожу; его применение позволило увеличить скорость судов почти вдвое.

10 класс

Обучающиеся основной школы имеют достаточный опыт и знания для решения более сложных задач самостоятельно. Поэтому свои уроки могу начать со слов и предложений, требующих домыслить, завершая постановку проблемы.

Тема урока: «Температура. Кипение. Испарение»

Интересный пример из биологии побуждает учащихся к необходимости решения проблемы: «На высоту более 19 км человек не может подняться без специального костюма, и дело не только в малом количестве кислорода в воздухе на этой высоте». Предлагаю учащимся экспериментально показать постановку проблемы: в одноразовый шприц с запаянным концом для иглы, наливают на ¼ объема воду и резко поднимают поршень – вода резко закипает (появляется масса пузырьков) Почему?

Такое поэтапное введение в проблемную ситуацию способствует развитию мышления учащихся, появлению и формированию познавательного интереса.

Тема урока: «Молекулярная физика»

Изучая понятие температуры и внутренней энергии, предлагаю биофизические вопросы:

- Все птицы – теплокровные животные. Температура тела у них постоянна и выше, чем у млекопитающих (примерно 42̊ С, а у некоторых видов до 45,5̊С). Тело покрыто перьями, а передние конечности превратились в орган полета – крылья. Какую роль играет сезонное изменение длины и густоты оперения? (Таким образом регулируется температура тела)

- Мышки дрожат не только от страха, но и для того, чтобы согреться. Хотя при дрожании скелетных мышц тела выделяется не так уж много тепла, зато резко ускоряется биохимические реакции с выделением тепла. Подрожит мышка, постучит зубками и запустит на полную мощность свою «отопительную систему». А почему изменяется внутренняя энергия мышки? (Механическая и биохимическая энергия превращается во внутреннюю)

- Молекулы каких газов проникают в организм быстрее - угарного, углекислого, кислорода? Скорость проникновения молекул газа в органы зависит от массы и скорости молекул. Быстрее всего проникает угарный газ, поскольку его молекулярная масса наименьшая, а скорость – наибольшая. Скорость убывает в таком порядке: кислород, углекислый газ, угарный газ.)

11 класс

Основные типы заданий для одиннадцатиклассников направлены на развитие и оценку личностных, познавательных, регулятивных, коммуникативных и других универсальных учебных действий.

Изучая шкалу электромагнитных излучений, рассказываю учащимся об ориентации в пространстве ямкоголовых змей; к этому семейству относятся такие ядовитые виды как мокассиновая и гремучая змеи, которые охотятся по ночам за теплокровной добычей. На расстоянии полметра змея чувствует колебания температуры в одну тысячную градуса!

Причем эта чувствительная система работает независимо от других органов змеи. Ученые провели опыт, лишив змею органов зрения, слуха и обоняния, поднесли к ней зажженную лампочку (завернутую в черную бумагу) и она бросилась на неё. Когда же поднесли незажженную лампочку, то змея лежала неподвижно.

Обсуждая эту проблему, учащиеся делают свои выводы:

1. Любое, даже слабо нагретое тело, дает излучение, на которое не реагирует органы чувств человека.
2. Ямкоголовые змеи и другие животные мира имеют приемники теплового излучения, которое называется инфракрасным излучением.

Педагогика сегодняшнего дня требует от учителя не только высокого профессионализма, но и высокого уровня методической подготовки. Реализация этих требований должна быть единой и неразделимой, ведь формирование мотивации учения у наших обучающихся, их активности – сейчас в центре внимания почти всех педагогов. Одним из путей повышения мотивации к обучению в основной школе является включение в исследовательскую и проектную деятельность.

Учащиеся составляют презентации, проекты и мини-проекты по теме: «Физика живого», «Звуки живой природы», «Физика и экология». Для этого предлагаю исследовать различные биологические процессы с точки зрения физики. Например,

- Мангровые заросли вдоль берегов Малайзии по ночам вспыхивают тысячами огоньков светлячков. Полоса растительности, где почти на каждом листе сидят насекомые, синхронно вспыхивающие с частотой 90 Гц, может простираться на 100м – поистине великолепная иллюминация! За счет какой энергии генерируется свет у светлячков? (Световые вспышки генерируются за счет химических реакций в специальных органах в брюшке)

- Из иракской сказки «Смеющаяся рыбка»

«…Да, дяденька, это я сказал! Посмотри на эту рыбку – видел ли ты такую в своей жизни? Присмотрись к её чешуе – она разноцветная! Голод притупил твое зрение, и ты перестал замечать красивое и доброе! Это не рыба, а чудо!» Почему чешуйки сказочной рыбки разноцветные? (Это связано с тем, что на чешуйках сказочной рыбки наблюдается интерференция)

- Самки синей акулы спариваются у восточного побережья США, а производят потомство у берегов Европы. Как ориентируются акулы под водой? (Самки синей акулы прокладывают путь, ориентируясь по магнитному полю Земли и геомагнитной информации, заключенной в породах дна. Во время миграции акулы на 2-3 часа погружаются на глубину 200м. Так называемые ампулы Лоренцини, расположенные на рыле, улавливают электромагнитные колебания, что позволяет безошибочно определять направление магнитного поля донных пород; вероятно, акулы пользуются этим, как компасом)

Исследовательская и проектная деятельность открывает новые возможности для создания интереса подростка, как к индивидуальному творчеству, так и коллективному.

Обращаясь к ученым изобретателям, получаем глубокомыслящий совет: «Не надо избегать сверхурочного умственного труда. Многие люди не могут развивать в себе глубокого интеллекта именно потому, что ленятся, не заставляют работать свой мозг. Не работающий мозг ржавеет, потому его надо тренировать, как мускулы. Человек, который не приучает мозг к мышлению, лишается величайшего удовольствия в жизни и не использует своих потенциальных возможностей». Томас Алвы Эдисон.

Литература:

1. Л.Э. Генденштейн Физика Задачник «Мнемозина», 2009г
2. В.П. Синичкин, О.П. Синичкина Внеклассная работа по физике ОАО «Издательство «Лицей», 2002г.
3. З.В. Александрова Уроки физики с применением информационных технологий Издательство «Глобус», 2009г.
4. Е.В. Чернобай Технология подготовки урока в современной образовательной среде Издательство «Просвещение», 2012г.
5. www.festival.1sentember.ru