Цели урока:
- Сформировать знания учащихся о механической работе на примере изучения единой целостной системы "человек"
- Познакомить учащихся со строением сердца и методами изучения его работы, рассмотреть работу мышц человека
- Продолжить обучение умению выделять существенное в изучаемом материале путем сравнения физических и биологических явлений
Оборудование: плакаты, рисунки, модель сердца, тонометр
На доске: "Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые. Д. Хевеши"
Учитель физики: Сегодня на урок я пригласила учителя биологии. Вы знаете, что в настоящее время происходит развитие точных наук. Это физика и математика, физика и химия, физика и электротехника. 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 ученики делают исследования основ жизни на молекулярном уровне, так родилась наука биохимия и биофизика. Мы попытаемся частично заглянуть в науку биофизику, при изучении темы "Механическая работа", рассматривая человека, как сложную замкнутую систему.
Итак, гимнастика ума <рисунок 1>.
Вопросы к классу:
- Давайте еще раз вспомним:В чем же состоит задача механики?
- Задача механики состоит в экспериментальном исследовании различных движений и обобщении полученных опытных данных в виде законов движения, на основании которых рассчитывается характер возникающего движения
- Кто же решает задачу механики? И другие задачи природы?
- Человек
- Как работает человек?
- Можно представить, что он наблюдает в окно за природой
- С помощью чего?
- С помощью органов чувств: зрения, слуха, осязания, обоняния, вкуса
- Наблюдает, а что дальше?
- Мыслит
- Как?
- Строит гипотезы, догадки, опирается на интуицию, фантазию, мечты
- Сконструировав мечту, что делает человек?
- Накапливает опыт - знания
Учитель физики: Знания рассматриваются в системе и если речь идет о движении, значит в процессе должны участвовать не менее двух тел.
- 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.
- Что же является результатом взаимодействия?
- 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 воздействовать другим телом, т.е. приложить силу, совершив при этом работу.
Обратимся к рисункам:
А) мальчик сидит, читая книгу
Б) мальчик идет
В) мальчик бежит
- В каком случае совершается работа?
Рассматривая виды движения обнаруживаются общие черты
Наличие силы, приложенной к телу
Перемещение тела под действием этой силы
Во всех этих случаях говорят, что сила производит механическую работу в результате которой изменяется состояние тел, участвующих в процессе
Вывод: сила приложенная к телу, совершает работу, если под её действием тело перемещается
Мы уже знаем формулу 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, отрицательной и равна нулю
1. 
а
=0. А=F·S
2. 
а
= 900. A=0
3. 
а
› 0. A= - F·S·cos ?.
- Совершает ли работу штангист, держащий штангу над головой?
Обратимся к учителю биологии.
Учитель биологии: вспомним о поперечно-полосатых мышцах и узнаем о их работе.<рисунок 2>
- Что составляет опору нашего тела?
Скелет и мышцы. У штангиста во время подъема штанги будут работать мышцы ног.
- Какие?
Икроножная, бедренная. Мышцы низового пояса (малая, средняя и большая ягодичные мышцы). Мышцы живота (мышцы брюшного пресса). Мышцы груди (малая и большая грудные мышцы). Мышцы плечевого пояса (дельтовидная). Мышцы спины (трапецивидная, 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. Мускулатура подразделяется на скелетные мышцы и мышцы внутренних органов.
Скелетные мышцы образованы поперечно - полосатой мышечной тканью.
Внутренние мышцы – гладкая мышечная ткань. <рисунок3>
Назначение нервных связей в мышцах – от 1 до 20 импульсов в секунду.
Сила и скорость сокращения мышц – на каждый квадратный сантиметр до 156,8 Н. Икроножная самая сильная. Груз 130 кг.
- Можно оценить работу, которую вы совершаете при самых обычных событиях: ходьбе, письме, физических упражнениях и т.д.
Учитель биологии: 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 костям. При возбуждении мышцы ее длина уменьшается и угол между соответствующими костями скелета изменяется.
Учитель физики: Рассмотрим экспериментальную задачу, которая была решена гением эпохи Возрождения Леонардом да Винчи. Сейчас эта задача под силу любому и ее решение получается из равенства моментов силы мышцы (М) и груза (Р) относительно точки опоры О:
М·а = Р·в,
где а – длина локтевого сустава от плеча, Р – вес тела, в – локтевая кость.
М= Р·в / а.
А=М·S, работу совершают бицепсы.
Задача: Какую работу совершает спортсмен пробегая дистанцию в 100 метров, если в ахилловом сухожилии при беге действует растягивающая сила 4000 Н и при толчке нога наклонена под углом в 600 к горизонту? (Ответ: 200 кДж)
В каждом шаге принимают участие до 300 мышц и в одну мышцу в среднем поступает 20 импульсов в секунду.
Задача. Одна из самых сильных мышц – икроножная, может поднять груз в 130 килограмм. Какую она совершает работу, поднимая груз на 5 метров. (Ответ: 8500 Дж)
Знаете ли вы, что человек совершая прыжки, взбегая по лестнице, совершает работу 262800 Дж за час. За секунду 730 Дж.
Мышцы человека на 1 квадратный сантиметр сечения развивают силу 156,8 Н.
В течении дня человек делает до 30 тысяч шагов, т.е. около 10 километров. За каждые 11 лет он незаметно проходит путь, равный окружности экватора.
Обратимся к неутомимому, всегда работающему сердцу.
Учитель биологии: Давайте вспомним:
- Что представляет собой сердце?
- Сердце – это мышечный орган.
- Сколько камер в строении сердца?
- 4 – (2 предсердия, 2 желудочка)
Мы с вами знаем, что сердце работает относительно нервной системы автономно. В самой сердечной мышце возникают импульсы, которые заставляют сокращаться предсердия, а потом желудочки.
- Из каких фаз складывается сердечный цикл?
- из 3 фаз – 1 фаза сокращение предсердий 0,1 секунды; 2 фаза сокращения желудочков 0,3 секунды; 3 фаза расслабления 0,4 секунды). < рисунок4>
Следовательно, сердечный цикл составляет 0,8 секунды. 0,4 секунды вполне хватает для отдыха сердца, поэтому сердце является уникальным органом человеческого тела.
Учитель физики:Рассмотрим несколько задач
Задача. За сутки человеческое сердце делает около 100000 ударов. при одном ударе совершается такая же работа, как и при поднятии груза массой 1 килограмм на высоту 20 сантиметров. Вычислите работу, совершаемую человеческим сердцем за сутки. (Ответ: 200 кДж)
Знаете ли вы, что за 8,5 часов лыжного пробега на 100 километров сердце спортсмена перекачивает 35 тонн крови.
Знаете ли вы, что масса сердца 1/200 массы человека, на питание затрачивается 1/20 энергетических ресурсов, которые потребляют остальные органы.
Знаете ли вы, что физиолог Вебер, живший в 19 веке, мог по своему желанию останавливать свое сердце.
Знаете ли вы, что на сердце ежегодно расходуется количество энергии достаточной для поднятия груза 900 кг на высоту 14 метров.
Знаете ли вы, что за 50 лет жизни оно совершает работу по подъему груза в 18000 тон на высоту 227 метров.
Итак, знакомясь с человеческим организмом можно заняться следующими исследованиями физики:
- Биологическая оптика
- Масса тела и энергия
- Механика сердечного импульса
Все это изучает наука – биофизика.
Физиологи определяют работу сердца с помощью формулы А=М·Д·С, где М – масса крови (кг.), С – число сердцебиений за 1 минуту, Д – давление крови в аорте (кПа.).
Задача. Рассчитайте работу левого желудочка а) за сутки (Ответ: 192240Дж)б) за 14 лет, если М=0,07 кг, Д=20кПа, С=72 (Ответ: 982346400Дж)
<рисунок 5>
Задача. Рассмотрите рисунок, укажите, какой цифрой обозначено сердце тренированного человека. Сделайте вывод.
Учитель физики: А теперь выполним практические работы
Практическая работа №1
Определение работы сердца в покое и после физических упражнений.
Найдем пульс на запястье. Подсчитаем за 15 секунд. Полученную цифру умножаем на 4. По формуле А=М·Д·С найдем работу сердца каждого ученика в покое.
Сделайте 15 – 20 приседаний, найдите снова пульс. Посчитайте количество ударов сердца за 1 минуту и определите его работу после работы мышц.
Сделайте вывод.
Практическая работа № 2
Измерение кровяного давления учащихся.
В ходе измерения давления у разных учеников в зависимости от состояния здоровья давление различное.
Учитель физики: Таким образом давайте сделаем следующие выводы:
- Работой мышц человеческого тела управляет центральная нервная система, состоящая из головного и спинного мозга при участии органов чувств.
- Для того, чтобы все системы органов чувств работали слаженно и согласованно необходимо вести правильный образ жизни.
- Достаточно двигаться – заниматься физкультурой, спортом, делать зарядку и т.д.
- Правильно питаться.
- Не употреблять алкоголь, никотин, наркотики.
Соблюдая все эти условия, главный мотор – сердце будет работать нормально и человек проживет долгую и счастливую жизнь