Цель: закрепить знания о передвижении беспозвоночных животных и показать их роль в создании различных приборов и техники.
Оборудование: мультимидийная установка для проектирования рисунков.
Ход занятия
Учитель: Сегоднешнее наше занятие посвящено движению беспозвоночных животных и их связи с техническим прогрессом. Изучая движение беспозвоночных, выделим следующие способы, использованные в технологиях (названия высвечиваются на экране):
- Гидравлический.
- Винтообразный.
- Реактивный.
- Изгибательный.
- Рычаг.
Живая природа с незапамятных времён служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Живые прототипы – ключ к технике.
Бионика – наука, изучающая живые организмы как биологические модели для разработки и создания механических и электронных приборов.
Бионика объединяет усилия физиков и математиков, проникает вместе с биологами в тайны живых организмов, открывает новые технические принципы и на их основе создаёт новые инженерные устройства. При этом фундаментальные законы физики помогают объяснить процессы, происходящие в живых организмах.
Живая природа – гениальный конструктор инженер, технолог, великий зодчий и строитель.
Проследим эту связь физики и биологии на примере движения гидравлическим способом.
Гидравлический способ движения.
Ученик 1: Эволюционный процесс – переход от менее сложных, но более разнообразных структур к немногим, но высоко и многообразно организованным. Хорошим примером может служить эволюция форм движения.
Простейшие обладают весьма разнообразными формами движения. У саркодовых движение происходит в результате перемещения цитоплазмы в разные части тела. Саркодовые имеют псевдоподиальное движение, которое осуществляется по гидравлическому принципу – эндоплазма устремляется в тот или иной участок периферии и «натягивает» в более плотной и упругой эктоплазме вырост – псевдоподию.
Тип простейшие. Класс саркодовые.
Рисунок 1
Раковинные корненожки – гидравлический способ движения.
Рисунок 2
Гидравлические механизмы.
Формула: F1/S1 = F2/S2 или F2/F1 = S2/S1.
Правило. Во сколько раз площадь поперечного сечения одного поршня больше площади поперечного сечения другого поршня, во столько же раз модуль силы, действующей на большой поршень, больше модуля силы, действующий на малый поршень.
Правило гидравлических механизмов:
Примеры технических устройств:
Рисунок 3
Винтообразное движение.
Ученик 2: Движение жгутиконосцев обеспечивается винтообразным биением жгутиков, а инфузорий – многочисленными ресничками. В противоположность жгутикам реснички бьют в одной плоскости, но сами они служат, помимо плавания, разным целям: окружающие ротовое отверстие реснички создают сложный ток воды, загоняющий пищевые частицы в глотку. Реснички могут слипаться: «кисточки» – цирры и на брюшной стороне брюхоресничных инфузорий имитируют конечности. На этих циррах инфузории могут быстро «бегать» по субстрату. Соединяясь в продольные ряды, реснички превращаются в мембраны, способные к волнообразным колебаниям.
У трипаносом вдоль всего тела идут также мембраны, по краю их проходит основание жгута, и мембрана всё время находится в состоянии волновых колебаний. Ресничное и жгутиковое движения имеют ещё одну особенность – двигающиеся таким образом организмы при плавании совершают вращательное движение вокруг собственной оси и, кроме того, двигаются не прямолинейно а по винтовой линии.
Тип простейшие. Класс жгутиковые.
Рисунок 4
Среди различных видов криволинейного движения особый интерес представляет равномерное движение тела по окружности. Это самый простой вид криволинейного движения. Вместе с тем любое сложное криволинейное движение тела на достаточно малом участке его траектории можно приближенно рассматривать как равномерное движение по окружности.
У зеленых эвглен, инфузорий – винтообразный способ движения.
Рисунок 5
Примеры винтообразного движения в технике:
Рисунок 6
Реактивное движение.
Ученик 3: История развития реактивной техники и космонавтики связана с именами великих соотечественников К.Э. Циолковского и СП. Королёва.
Практической космонавтике почти полвека. Время меняет темп жизни, каждая эпоха характеризуется определёнными научными открытиями и их практическим использованием.
Современное состояние космонавтики, когда на орбитальных станциях в длительных космических полётах работают космонавты, когда по маршруту Земля – орбитальная станция курсируют пилотируемые и автоматические пассажирские и грузовые транспортные корабли, содержание работ, которые выполняют космонавты, позволяет говорить об исключительном народно-хозяйственном и научном значении практического освоения Космоса.
Объективный и тщательный контроль за состоянием Земной атмосферы возможен только из Космоса. Искусственные спутники связи, космическая метеослужба, космическая геологоразведка и многое другое уже сейчас решают важные государственные вопросы охраны природы.
Заметим, что из Космоса впервые получены сведения о величине нефтяных пятен в океане, о том, что редеют джунгли в Амазонии, о загрязнении озера Байкал, об интенсивном наступлении пустынь на леса и степи.
Всё это стало возможным благодаря изучению и внедрению в практику теории реактивного движения.
Тип кишечнополостные.
Рисунок 7
Физический закон.
Модуль и направление скорости ракеты легко получить, применив закон сохранения импульса для системы тел «ракета – воздух».
0 = Mv + mu,
Где М – масса оболочки, m – масса струи воздуха, выходящего через сопло. Откуда V = (mu)/M.
Реактивное движение, используемое ныне в самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они без исключения используют для плавания реакцию выбрасываемой струи воды. Именно это дало повод назвать кальмаров биологическими ракетами. В мышцах кальмара в результате сложных превращений химическая энергия превращается в механическую.
При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель в мантийную полость. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкое сопло, которое расположено на брюшной поверхности кальмара. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки, кальмар плывёт одинаково хорошо вперёд, назад и в сторону.
Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водомётом. В нём вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается из неё через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.
Почему же двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров, является объектом тщательных исследований биоников?
У кальмара засасывание воды и её выбрасывание происходит за счёт сокращения мышц, возбуждаемых нервами. Чтобы увеличить скорость движения, т.е. число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которой обладают кальмары вследствие большого диаметра нервов.
Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна (диаметром 1 мм) они проводят возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч). Поиски инженеров направлены на создание конструкции такого гидрореактивного двигателя. Который бы, как и кальмар, не нуждался в дополнительном засасывающем устройстве.
Рисунок 8
Пример реактивного движения:
Рисунок 9
Рисунок 10
Изгибательно-зигзагообразное движение.
Тип черви. Подтип плоские черви, круглые черви, кольчатые
Ученик 4: У червей сформировывается новая форма движения – изгибанием тела, а в связи с этим у них развилась мощная двигательная мускулатура. У большинства из них на каждом членике имеется различные придатки в виде, лопастей, щупиков и жаберных нитей – пароподии. С помощью параподий -примитивных органов осуществляется передвижение.
Кожномускульный мешок червей состоит из двух основных слоев мышц – кольцевого и продольного. Есть ещё и другие мышцы: тело червей как бы набито мышцами, количество их достигает у некоторых червей 60–70 % общего объёма тела. Огромное количество низших и высших червей передвигается при помощи изгибаний тела. Таким образом, внутри группы кишечнополостных вместе с выработкой двустороннесимметричного плана строения сформировались мускульные формы животных, выработавшие изгибательный способ движения. Это были предки турбеллярий, использующие более мощную мускулатуру для изгибаний тела.
Рисунок 11
Рисунок 12
Тип кольчатые черви, класс олигохеты, или малощетинковые, семейства энхитреиды (1), трубочники (2) и дождевые черви (3-7)
Рисунок 13
Типичные представители инфауны: кольчатые черви – 1 – пескожил, 8 – Pygospio; двустворчатые моллюски – 2 – макома, 3 – мия, 5 – сердцевидка; ракообразные – 4 – креветка Crangon, 6 – бокоплав Gammarus; иглокожие – 7 – сердцевидный морской ёж.
Рисунок 14
Примеры изгибательно-зигзагообразного движения:
Рисунок 15
Рычаг.
Тип членистоногие. Класс насекомые.
Ученик 5: В дальнейшем усложнение изгибательной формы движения наступило с выработкой посегментных складок – параподий, снабженных щетинками (хеттами). Это был добавочный орган движения, если можно так сказать, чреватый последствиями, так как в дальнейшем из них сформировались конечности членистоногих. Полимерное строение кольчецов соответственно дало форму с большим числом ног (ракообразные, паукообразные).
С формированием рычажных конечностей, за исключением многоножки, двигательная функция перешла на ножные придатки. У членистоногих конечности сформировались уже в водной среде (ракообразные). У предков членистоногих конечности играли роль не основных органов движения, а только подсобных, но важно, что рычажные конечности, при всей их чрезвычайной функциональной усложненности (полет), – единственный аппарат движения.
Рассмотрим экспериментальную задачу, которая была решена гением эпохи Возрождения Леонардо 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
A = M * S, работу совершают бицепсы.
Рисунок 16
«Золотое правило рычага».
Каково «Золотое правило рычага»? Есть так называемое «Золотое правило рычага» – выигрываешь в силе, проигрываешь в расстоянии, то есть чем длиннее плечо рычага, тем меньшую силу надо приложить. И наоборот – если плечо рычага меньше, то силу надо приложить большую.
Рисунок 17
В нашей жизни мы постоянно пользуемся рычагами, часто даже не задумываясь над этим, так как и ножницы, и подъёмный кран – это примеры применения рычага.
Рисунок 18
Заключение.
Учитель: Итак, мы убедились в тесной взаимосвязи открытий, сделанных человеком и живой природой. Для того, чтобы делать открытия, создавать, нужны не только знания, но и наблюдательность, внимательность изучения, нестандартность мышления, которые толкают человека к практической, изобретательской деятельности, реализуемые в науке и технике.
Вы убедились: КПД природы экономичны и высоки, и человек, изучая и сравнивая, может сделать ещё очень многие открытия.
(Учитель благодарит ребят за подготовку и выступления, выставляя им оценки.)
Использованная литература:
- П. Ф. Литвицкий Бионика, – М.: Издательство Мир, 1987 г.
- В. Мартека Бионика, – М.: Издательство Мир, 1967 г.
- Э. Хадоры, Р. Вернер Общая зоология, – М.: Мир, 1989 г.
- В. А. Догель Зоология беспозвоночных, – М.: Высшая школа, 1985 г.
- А. В. Перышкин Физика 7 класс, – М.: Издательство Дрофа, 2006 г.