“Природа создала человека для того, чтобы иметь наблюдателя, поэтому смысл человеческого существования заключается в познании окружающего мира. Это познание может быть и чувственным и рациональным. Его объектом может быть окружающий мир и сам человек как часть этого мира”. С. А. Чандаева. [1]
Из всех возможных путей создания эмоционального настроя учащихся на уроках физики, при ориентации на интерес к учению, наиболее результативным путем является использование межпредметных связей. Частным случаем реализации межпредметных связей является использование на уроках физики материала гуманитарного содержания. При чем этот материал должен быть ориентирован на то, что бы дать учащимся возможность предопределить человека (в том числе и себя) как объекта физического познания.
Что, в свою очередь:
- позволяет показать учащимся многообразные связи физики и человека;
- дает возможность раскрыть диалектику связи человека и природы;
- дает возможность определить место человека в окружающем мире;
- раскрывает суть процесса познания человеком природы и себя как ее составной части;
- показывает антропоцентрический характер процесса познания.
Характер материала гуманитарного содержания таков:
- тексты, раскрывающие те или иные гуманитарные идеи;
- таблицы, отражающие характеристики окружающего мира и человека;
- качественные и количественные задачи;
- практические задания.
Механическое движение. Относительность движения. Траектория
Мы постоянно встречаемся с движением тел в повседневной жизни, в технике и науке.
Движение (покой) тела можно рассматривать по отношению к любым другим телам. В качестве примеров, позволяющих понять относительность движения (покоя), можно предложить учащимся следующее:
в начале рассмотреть пространство внутри кабинета, а затем представить себе пространство города; поверхность Земли; Солнечную систему; нашу Галактику; Вселенную. Потом рассмотреть движение этих тел по отношению друг к другу. Этот пример, способствует выработке у учащихся способности ощутить себя частицей огромного целого - мира, в котором мы живём.
Окружающий нас мир можно охарактеризовать множеством разнообразных параметров, но что бы не происходило вокруг, все происходит где-то и когда-то. Поэтому самыми главными параметрами, определяющими положение человека в этом мире, являются пространство (расстояние, линейные размеры) и время. В связи с этим необходимо дать учащимся понятие о линейных размерах и времени, встречающихся в мире. Интересным для них будет и тот факт, что параметры человека находятся примерно в середине пространственной и временной шкал.
Скорость – одна из важнейших физических величин. Диапазон скоростей, известных человеку, очень велик. <Приложение 3>
Рассматриваемая тема обладает богатыми возможностями для ознакомления учащихся с антропоцентрическими идеями. На уроке по теме “Скорость. Единицы скорости” можно приступить к составлению таблицы: “Мои возможности” <Приложение 3>
Задачи, приведённые ниже, наглядно иллюстрируют понятия скорости, времени и пространства
1. Определите, используя данные медицинского осмотра, с какой средней скоростью (в м/с) вы росли в течение прошлого учебного года. Ответ: ~ 10-9 м/с.
2. Продолжительность полёта первого космонавта Земли Ю.А.Гагарина, совершившего первое космическое кругосветное путешествие 1,5 часа. Сравните это время и время, которое понадобится человеку, чтобы обойти земной шар по экватору (длина экватора – 40 000 км).
Скорость человека – 5 м/с (можно использовать данные своей скорости) Ответ: 2222,2 ч ~ 93 сут.
3. Покинувший в 1989 году Солнечную систему корабль “Вояджер”, двигаясь со скоростью 11,2 км/с (вторая космическая скорость), достиг орбиты Плутона через 17 лет после запуска. Оцените по этим данным размеры Солнечной системы. Ответ: ~ 6 • 109 км
4. Расстояние от Солнца до Земли 150 000 000 км. Сколько времени свет идёт от Солнца к нам (скорость света 300 000 км/с)? Ответ: 500 с ~ 8мин 20сек
5. Придумайте способ экспериментального определения скорости любого равномерно движущегося объекта (течения реки, автомобиля и т.д.)
6. Можно обсудить с учащимися вопрос: Ощущает ли на себе человек действие скорости? Вспомните свои ощущения при поездке в автобусе, автомобиле, при полёте на аэробусе или катании на “Американских горках”. Обсуждение этого вопроса поможет ввести понятие инерции на следующем уроке.
Явление инерции. Масса тела
Таблица “Массы некоторых физических тел” даёт возможность показать учащимся соотношение между массами основных физических тел, определить место человека как физического объекта, который наравне с объектами другой природы совершает перемещения, участвует в силовых взаимодействиях и подвергается влиянию различного рода полей. <Приложение 4>
Плотность вещества
Одним из параметров, описывающим распределение вещества в пространстве, является плотность. Интервал плотностей разных видов вещества во Вселенной очень велик: от плотности Вселенной после Большого Взрыва (1093 кг/м3) до плотности вещества в межгалактическом пространстве (10-30 кг/м3). Особенное место в этом диапазоне принадлежит значению плотности тела человека и животных. В связи с этим можно предложить учащимся решить задачу следующего содержания:
“Определите среднюю плотность тела человека, имеющего массу 50 кг, если объём его тела равен 75дм3”. Ответ: ~ 1067 кг/м3
Плотность тела человека и животных почти совпадает с плотностью воды. Говоря, что человек состоит из воды, мы подчёркиваем, что вода в качестве жизненной среды “победила” в процессе эволюции газы и твёрдые тела, так как с энергетической точки зрения “химия” растворов оказалась более выгодной, чем “химия” других физических веществ. На поверхности нашей планеты с большим количеством водоёмов живые существа с плотностью, большей плотности воды, не могли бы плавать, и погибли бы, попав в любую подходящих размеров впадину с водой.
Рассмотренные выше задачи приводят к выводу, что значения физических величин, характеризующих человека, лежат примерно посредине между областями, относящимися к мега - (Вселенная) и микро - (ядро) мирам.
В качестве количественной меры познающий природу человек выбрал себя. Именно человек сумел ощутить, а затем осознать устройство мира. Он смог продвинуться в познании природы почти на одинаковое количество порядков как “вглубь”, так и “вширь”.
Сила. Явление тяготения
При введении понятия силы хорошим подспорьем может послужить таблица, в которой приведены численные значения некоторых сил, встречающихся в природе. <Приложение 5>
Познавательным для учащихся будет обсуждение следующих вопросов:
- Какую наибольшую силу может развить человек своим телом?
- Как можно увеличить значения сил, развиваемых человеком?
Ответ на эти вопросы может звучать так: человек может приложить силу, по меньшей мере, равную своему весу, а развить силу, больше его веса, можно находясь в ускоренно движущемся вверх лифте, при толчках, ударах, приземлениях после прыжков.
Сила упругости
Историю жизни на нашей планете можно трактовать как историю активного преодоления силы тяжести – постоянно действующего физического фактора. Впервые отчетливо проблема борьбы с гравитацией встала перед живыми организмами при выходе из моря на сушу, второй раз – при переходе предка человека к прямохождению. Прямохождение резко повысило требования к механической прочности опорно-двигательной системы человека, которую составляют скелет и мышцы. Кроме обеспечения механической прочности, эта система создает основу для поддержания тела человека в пространстве, для перемещения его по поверхности планеты, для организации сложных движений.
Опорно-двигательная система человека должна противостоять большим нагрузкам, обусловленным, во-первых, действием собственного веса и, во-вторых, ускорениями и торможениями, которые всегда сопровождает любое движение. Особенно сильные, хотя и кратковременные, нагрузки наш скелет испытывает во время ударов, падений, прыжков, в аварийных ситуациях. Действующие при этом на скелет силы могут в 15 – 30 раз превосходить собственный вес человека. <Приложение 6>
Говоря о прочности костей можно обсудить с учащимися следующие вопросы:
- “Почему при приземлении после прыжка необходимо сгибать ноги в коленях?”
- “Почему самые крупные животные на Земле морские?”
Сила трения
Тема “Сила трения” предоставляет богатые возможности для иллюстрации гуманитарных идей. Трение – неизбежный спутник множества окружающих человека явлений, и в первую очередь такого важного, как перемещение тел. Поскольку существование людей связано с движением по земле, воздуху и воде, наличие трения откладывает отпечаток на все виды человеческой деятельности, играя то полезную, то вредную роль. В частности, трение поразительным образом помогает перемещаться человеку в пространстве. Но все нарастающие скорости перемещений заставляют его расплачиваться за них все более чудовищными расходами энергии и топлива. Кроме того, трение всегда сопровождается выделением теплоты, что на заре цивилизации позволило людям сделать одно из важнейших изобретений: научиться добывать огонь. И, наконец, изнашивание машин и оборудования, безусловно, самое разорительное и неизбежное порождение трения, наносящее большой ущерб человеческому хозяйству.
Человеческая ходьба – неотъемлемое условие его существования. При ходьбе человек ставит ноги на землю таким образом, что они должны были бы скользить назад, если бы трения не существовало. И в самом деле, при попытке идти по гладкому льду, ноги человека проскальзывают, движение становится небезопасным и может окончиться падением. При ходьбе по скользкой поверхности надо “семенить” ногами, походка должна становиться похожей на походку Чарли Чаплина, так будет легче удержаться на ногах.
Спортсмены – фигуристы также используют это обстоятельство. Стоит спортсмену, до того вполне надежно державшемуся на льду, сильно раздвинуть ноги и он легко переходит в положение шпагат. Для улучшения “сцепления” поверхности обуви с поверхностью льда служат специальные приспособления на ботинках альпинистов для ходьбы по ледникам.
Трение важно для человека не только потому, что без него не возможно перемещение. Без него невозможно преобразование движения мышц во вращательное движение конечностей в суставах. Суставы человека и животных близки по своим функциям к шарнирам. Вся поверхность сустава, испытывающего трение, покрыта особой хрящевой тканью, пропитанной особой жидкостью. При периодической внешней нагрузке, например при ходьбе, жидкость выдавливается из капилляров хряща и, действуя, как смазка, обеспечивает ничтожно малое трение. <Приложение 7>
Давление в жидкостях
Известно, что каждый живой организм с достаточно высокой степенью справедливости и строгости может рассматриваться как водный раствор. Вода составляет значительную часть каждого организма: 40% в сухих растениях, 70% в теле человека и животных. В морских животных – медузах – ее содержание равно 95%. У десятидневного человеческого эмбриона содержание воды достигает 95%, у новорожденного – 72%, а у взрослого человека – в среднем 60%. Практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, - это процессы в водных растворах.
Сейчас около 3/4 (71%) поверхности Земли покрыто морями и океанами. В них сосредоточено 97% мировых запасов воды, остальные 3% приходятся на долю пресной воды, 3/4 которой сосредоточено в полярных шапках.
А как ощущает человек давление воды? Само по себе давление воды не причиняет человеку никакого вреда (по крайне мере, на тех глубинах, которые ему доступны без снаряжения), т.к. полностью уравновешивается гидростатическим давлением жидкости в тканях организма человека.
Больше всего испытывают давление полости, заполненные воздухом: легкие, внутреннее ухо и т.д. Уже на глубинах, больших 1,5 м разность между давлением воды, сжимающей грудную клетку, и давлением воздуха внутри ее так возрастает, что мы уже не можем увеличивать объем грудной клетки при вдохе. Даже при нырянии на глубину 1 м чувствуется боль в барабанных перепонках из-за перепада давлений по разные стороны от мембраны. <Приложение 8>
“Болеют ли кессонной болезнью морские млекопитающие?”
Не болеют, так как ныряют с пустыми легкими и перестают дышать под водой. Их ткани, таким образом, не накапливают газы, пока животные погружены в воду.
Ныряльщик из Монако Пьер Фролла установил новый мировой рекорд погружения без акваланга. Фролла с 28-килограммовым грузом смог, задержав дыхание, нырнуть на глубину 123 метра. На поверхность он поднялся при помощи ног и ласт на ногах.
“Какое давление воды испытывал Пьер Фролла при погружении на рекордную глубину (123 м) без акваланга?”
Давление крови
Кровь – особая жидкость, обладающая специфическими свойствами, определяющими ее роль в жизни живых существ. При каждом сокращении сердца в артерию выбрасывается определенное количество крови, в результате чего создается давление, обеспечивающее передвижение крови по всему сосудистому руслу. В разных местах кровеносной системы давление разное: самое большое в аорте, несколько меньше в крупных артериях, еще меньше в венозных сосудах. Это давление должно превышать гидростатическое давление крови. В состоянии покоя у здорового взрослого человека давление составляет 120/80 мм рт. ст. (120 мм рт. ст. – верхнее давление – во время сокращения сердечной мышцы, 80 мм рт. ст. – нижнее давление – во время расслабления сердца). У подростков – 110/60 мм рт. ст.
Исходя из представлений о гидростатических свойствах крови, можно сделать простые, но интересные оценки основных параметром организма человека. <Приложение 8>
Атмосферное давление
Давление атмосферы – важный параметр окружающей среды, оказывающий влияние на физическое состояние человека.
“С какой силой давит атмосфера на человека массой 60 кг и ростом 1,6 м, если площадь его тела равна 1,65 м2?”
Эта сила составляет 167 000 н.! Человек привык к этой постоянно действующей силе и в нормальном, здоровом состоянии ее не ощущает.
Выдерживать атмосферное давление организму помогает уравновешивающее его давление жидкостей, заполняющих сосуды тела. Перенесение организма на другой уровень вызывает расстройство его функций из-за деформации стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление снаружи и изнутри. Другой причиной является уменьшение количества кислорода в воздухе. <Приложение 9>
Использование на уроках физики материала гуманитарного содержания, не только пробуждает познавательный интерес, но и служит средством восприятия особо трудного материала, средством переключения внимания и разрядки напряженной обстановке в классе, средством повышения эмоционального тонуса учебной деятельности. А так же способствует доступности сообщаемых знаний, обостряет эмоциональное отношение к предмету познания и обеспечивает лучшее протекание познавательных процессов.
Литература
1. Чадаева С.А. Физика человека. – М., 1994.
2. Волков В.А. Поурочные разработки по физике. – М., 2005.
3. Мэрион Дж. Б. Общая физика с биологическими примерами. – М., 1986.
4. Силин А.А. Трение и мы. – М., 1978.
5. Смирнов Ю.И. Мир физики. – СПб., 1995.
6. Степанова Г.Н. Сборник вопросов и задач по физике. 10/11 кл. – СПб., 2005.
7. Степанова Г.Н. Сборник вопросов и задач по физике. 7/8 кл. – СПб., 2006.
8. Тулькибаева Н.Н., Пушкарев А.Э. Задания по физике. – М., 2003.