Интегрированный урок по физике и биологии на тему: "Механическая работа в системе "Человек"

Цель: Создание условий для развития индивидуальных и творческих способностей учащихся, расширение представлений о целостной картине мира.

Задачи:

• Повторить, обобщить и углубить знания учащихся о механической работе на примере изучения целостной единой системы “Человек” с использованием элементов метода проекта.
• Развивать умения учащихся мыслить нестандартно, сравнивать, сопоставлять изученные факты и явления.
• Продолжать обучение умению выделять существенное в изученном материале, путем физических и биологических явлений.
• Воспитывать бережное отношение к своему здоровью.

Оборудование: мультимедиа с таблицами: “Работа сердца”, “Работа мышц”; схемой, показывающей работу бицепсов при поднятии груза на ладони; карточки с заданиями.

Ход урока

1. Организационный момент.

Вступительное слово учителя, постановка целей, мотивация.

2. Защита проектной работы.

• Работа мышц человека
• Работа сердца человека

3. Практическая работа “Работа сердца в покое и после физической нагрузки”.

4. Выводы. Итоги.

Конспект урока

Учитель: “Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые” - говорил венгерский химик Георг Дешеви.

Сегодня на уроке мы попытаемся связать воедино некоторые факты и явления, связанные с физикой и биологией. Так случилось, что биология и медицина не попали в разряд точных наук. Предмет, который они изучают, - живой организм сложен и многообразен. Точно описать все его характеристики и закономерности до сих пор не представляется возможным. В настоящее время ученые проводят исследования основ жизни на молекулярном уровне. Так родилась наука биохимия и биофизика. При помощи ребят, которые написали проектную работу “Механическая работа в системе “Человек””, мы частично заглянем в науку биофизика, рассматривая механическую работу и человека, как сложную замкнутую систему (запись в тетрадях темы урока).

Первая часть работы посвящена работе мышц человека.

Ученик: (Выступление учащегося, сопровождающееся демонстрацией мультимедиа, таблиц).

Главная задача механики состоит в экспериментальном исследовании различных движений и обобщении, на основании которых рассчитывается характер возникающего движения. Кто же решает задачу механики и другие задачи природы? Человек. Он воспринимает окружающий мир при помощи анализаторов зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания. На основании восприятия человек мыслит, выдвигает гипотезы, фантазирует, мечтает, проводит различные опыты и эксперименты и в результате получает знания.

Знания рассматриваются в системе и тогда, когда речь идет о движении. Что необходимо знать для определения состояния механического движения системы тел?

Достаточно знать их взаимное расположение в определенный момент времени (координаты) и их скорость.

Действительно стоит измениться хотя бы одному параметру системы, как система перейдет в другое механическое состояние. Обмен механическим движением между телами или переход механического движения в другие формы происходит в результате взаимодействия тел. Результатом их взаимодействия является сила. Поэтому, если тело движется с ускорением под действием силы, то это значит, что какое-то другое тело или система тел, взаимодействуя с данным телом, изменяет состояние его движения.

Например: На полу лежит тело массой m, чтобы поднять его на некоторую высоту, необходимо действовать другим телом, т.е. приложив силу, совершить при этом работу.

Обратимся к примерам:

A. Девочка сидит, читает книгу;

B. Человек идет;

C. Мальчик бежит.

В каком случае совершается работа? (ответ учащихся)

Рассматривая виды движения, обнаруживаются общие черты:

A. Наличие силы приложенной к телу;

B. Перемещение тела под действием этой силы.

Во всех этих и аналогичных случаях говорят, что сила производит механическую работу, в результате которой изменяется состояние тел, участвующих в процессе.

На основании выше сказанного, можно сделать вывод:

Сила, приложенная к телу, совершает работу, если под её действием тело перемещается.

Нам уже известна формула для вычисления работы , но когда перемещение тела не совпадает с направлением действия силы, а образует с ним некий угол, формула работы примет вид:

Работа может быть положительной и отрицательной.

	;
	;
	;
	;

Давайте рассмотрим задачу.

Совершает ли работу штангист, держащий штангу над головой?

Ученик: ; ;

Таким образом, при решении этой задачи на уроке физики мы приходим к выводу, что механическая работа сил равна нулю. Но с этим можно не согласиться, если обратиться к другой науке – биологии.

Вспомним о поперечно-полосатых мышцах и узнаем об их работе. Что составляет опору нашего тела?

Скелет и мышцы.

У штангиста во время подъема штанги будут работать мышцы ног.

• Икроножная, бедренная;
• Мышцы тазового пояса: (малая, средняя и большая ягодичные мышцы);
• Мышцы живота (брюшного пресса);
• Мышцы груди (малая и большая грудные мышцы);
• Мышцы плечевого пояса (дельтовидная);
• Мышцы спины (трапециевидная, широкая и широчайшая);
• Мышцы рук (бицепсы и трицепсы, т.е. двуглавая и трехглавая);
• Мышцы предплечья.

Все мышцы находятся в напряженном состоянии, следовательно, они совершают работу.

Работа, выполняемая мышцами, может быть статической и динамической. Даже когда человек находится в неподвижном состоянии, мышцы всё равно выполняют работу.

Мускулатура человека подразделяется на скелетные мышцы и мышцы внутренних органов.

Скелетные мышцы образованы поперечно-полосатой мышечной тканью. Внутренние мышцы – гладкой мышечной тканью. Основным свойством мышцы является её способность сокращаться под влиянием нервных импульсов. При этом совершается определенная работа мышц, осуществляемая под контролем центральной нервной системы (Ц.Н.С.).

Число нервных связей в мышцах от 1 до 20 импульсов в секунду. Сила и скорость сокращения мышцы на каждый см² до 156,8 Н. Икроножная самая сильная. Она может выдерживать груз до 130 кг.

Можно оценить работу, которую мы совершаем при самых обычных событиях: ходьбе, письме, физических упражнениях и т.д.

Каркасом тела служит скелет, состоящий приблизительно из 200 костей, соединенных между собой таким образом, что при движении относительное расположение их может изменяться. Кости приводятся в движение скелетными мышцами, каждая из которых прикрепляется к двум различным соседним костям. Сокращаясь, мышцы приводят в движение кости, действуя на них, как рычаги. Кости начинают двигаться вокруг точки опоры, под влиянием приложенной к ним силы.

При возбуждении мышцы её длина уменьшается, угол между соответствующими костями скелета изменяется.

Рассмотрим экспериментальную задачу, которая была решена гением эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Сейчас же эта задача под силу любому и решение получается из равенства моментов силы мышцы (М) и груза (Р) относительно

точки опоры. М

где а – расстояние локтевого сустава от плеча,

Р – вес испытуемого тела,

b – локтевая кость

;

Работу совершают бицепсы.

Задача 1. (решается фронтально).

Какую работу совершит спортсмен, пробегая дистанцию в 100 м, если в ахилловом сухожилии при беге действует растягивающая сила 4000 Н и при толчке нога наклонена под углом в 60⁰ к горизонту?

Знаете ли Вы, что… (проецируется на экран)

• В каждом шаге принимает участие до 300 мышц и в одну мышцу в среднем поступает 20 импульсов в секунду.
• Человек, совершая прыжки, взбегая по лестнице, совершает работу в 2628000 Дж за час, за секунду 730 Дж.
• Мышцы человека на 1 см² сечения развивают силу 158,8 Н.
• В течение дня человек делает до 30000 шагов, т.е. около 10 км. За каждые 11 лет он незаметно проходит путь равный окружности экватора.

Учитель: Неутомимое, всегда работающее сердце представляет собой совершенный и сложный орган. Вторая часть проектной работы посвящена работе сердца.

Ученик: Работа сердца

Сердце человека располагается в грудной клетке. Это четырехкамерный мышечный орган, бессменно работающий в течение всей жизни. По форме сердце напоминает уплощенный конус и состоит из двух частей – правой и левой. Каждая часть включает предсердие и желудочек.

Масса сердца в среднем 300 г. Между сердцем и околосердечной сумкой находится жидкость, увлажняющая сердце и уменьшающая трение при его сокращениях. Мышечная стенка желудочков значительно толще стенки предсердий. Это объясняется тем, что желудочки выполняют большую работу.

Сердце работает относительно нервной системы автономно. В самой сердечной мышце возникают импульсы, которые заставляют сокращаться предсердия, а потом желудочки. В ритмичном состоянии работы и покоя сердца – источник его неутомляемости. Расслабляясь, сердце отдыхает. Можно сказать, что у человека в возрасте 60 лет сердце 30 лет отдыхало. Человек еще не создал такую машину, которая могла бы беспрерывно работать 70-80 лет и более. Сердце – двигатель огромной работоспособности.

Сердечный цикл складывается из трех основных фаз: систолы предсердий, систолы желудочков и общей диастолы, или паузы сердца, равен 0,8 с.

Фаза сокращения предсердий (систолы) равна 0,1 с.

Фаза сокращения желудочков (систолы) равна 0,3 с.

Фаза расслабления (общей диастолы) равна 0,4 с.

Итак, сердечный цикл составляет 0,8 с, из которых 0,4 с вполне хватает для отдыха сердца, поэтому сердце является уникальным органом человеческого тела.

Задача: (задача решается фронтально).

За сутки человеческое сердце делает около 100000 ударов. При одном ударе совершается такая же работа, как при поднятии груза массой 1 кг на высоту 20 см. Вычислите работу, совершаемую человеческим сердцем за сутки.

Поразительна выносливость сердца. Тренированный человек может, например за 2 часа подняться на несколько километров в гору или проплыть десятки километров. При большой нагрузке сердце усиливает свою работу.

Интересно знать, что…(проецируется на экран).

• …за 8,5 часа лыжного пробега на 100км сердце спортсмена перекачивает 35 тонн крови.
• …сердце за всю жизнь сокращается 2.5 млн. раз. Подсчитано, что этой работы достаточно, чтобы поднять поезд на гору Монблан.
• …физиолог Вебер, живший в XIX веке, мог по своему желанию останавливать свое сердце. Во время одного из таких опытов перед студентами он довел себя до обморока.
• …при тренировке мышечная стенка становится толще, и напряжение увеличивается, в ней повышается обмен веществ.
• …на сердце ежегодно расходуется количество энергии достаточное для поднятия груза 900кг на высоту 14м.

Ученик: На основании выше изложенного можно сказать, что тренированное сердца – это основа человеческого здоровья. Заботится о сердце – значит увеличивать его силы. Особенно подрывают его вино и курение. Алкоголь вызывает учащение сердечных сокращений и понижает их силу. Ожиревшее под влиянием алкоголя и переедания сердце менее работоспособно. Никотин ухудшает кровоснабжение сердечной мышцы, нарушает ритм её сокращений.

Учитель: Физиологи определяют работу сердца с помощью следующей формулы:

Где М – масса крови, D – давление крови в аорте, С – число сердцебиений за 1 минуту.

Задача 2.

Рассчитайте работу желудочков, если М=0,07 кг, давление в аорте 20 Па, число сердечных сокращений за 1 минуту равно 72. (Все данные рассчитаны по формуле Старра и являются постоянными, изменяют число сердечных сокращений и давление в аорте на 10 – 15 мм после нагрузки).

Ответ: 133,5 Дж за 1 минуту.

Практическая работа №1 “Работа сердца”

Цели:

• Определение работы сердца до и после дозированной физической нагрузки.
• С помощью формул научиться рассчитывать работу сердца.
• Сравнить полученные результаты.

Оборудование: часы с секундной стрелкой, калькулятор.

Указания к выполнению:

1. Найдите пульс на запястье. Подсчитайте число ударов за 15 секунд, умножьте полученное число на 4.

2. Сделайте 10 приседаний и подсчитайте пульс по той же схеме.

3. Используя все необходимые данные, рассчитайте работу сердца до и после нагрузки по формуле:

Р- работа сердца за одну минуту. (килограмметр)
1 кгм=9,81 Дж
МОК – минутный объём крови. (л/мин)
АД – артериальное давление. (м.вод.ст.)

4. Оформите работу. Заполните таблицу.

Показатели систолического объёма крови (СО).

Сравните результаты. Сделайте выводы.

Домашнее задание:

1. Задача.

Во время тяжёлой физической работы сердце человека сокращается до 150 раз в минуту. При каждом своём сокращении оно совершает работу, равную поднятию груза массой 500 г на высоту 40 см. Определите мощность, развиваемую сердцем в этом случае.

2. Практическая работа №2 “ Определение экономичности работы сердца”

Ход работы

1. Подсчитайте пульс за 1 минуту (В)

2. Сделайте 15 приседаний и вновь подсчитайте пульс (А)

3. Подсчитайте экономичность работы сердца по формуле:

Э = (В – А)/В*100%, где
А – пульс за одну минуту,
В - пульс за одну минуту после физической нагрузки.

4. Вывод: если результат не превышает 30%, то ваше сердце работает экономично.

5. Предложите комплекс мероприятий, направленных на повышение работоспособности человека.

Учитель: Итак, сегодня на уроке мы выяснили, что:

• существует взаимосвязь двух наук о природе: биологии и физики;
• человеческий организм и его действия также интересны для физики, как и любые другие окружающие природные явления;
• законы природы едины;
• законы физики применимы к живому организму.

Человек – это Вселенная, это великое, неизведанное чудо, созданное природой. Познать самого себя, значит познать весь мир.

Наука биофизика также позволяет заняться исследованиями в области физики и биологии по многим другим направлениям. Спасибо всем.