Интегрированный урок (биология + физика) в 8-м классе на тему "Превращение энергии в природе"

Цель урока: убедить учащихся в универсальности закона сохранения и превращения энергии на различных примерах превращения энергии в живой и неживой природе.

Оборудование: таблицы “Превращение энергии в природе”, “Энергообеспечение клетки”, “Энергии, расходуемые человеком массой 70 кг в повседневной жизни”, “Суточный расход энергии в разном возрасте”.

План урока

1. История открытия закона сохранения и превращения энергии.
2. Превращение энергии в неживой природе.
3. Превращение энергии в живой природе.
4. Использование энергии людьми.
5. Закрепление – решение качественных задач.

Ход урока

Учитель физики. В мире, в котором мы живём, всё течёт и изменяется, но человек всегда надеялся отыскать нечто неизменное. Мысль о какой-то неизменности, которая должна быть в мире, где ничто не вечно, зародившись в глубокой древности, просуществовала в виде религиозных и философских идей до XVII века, когда впервые были обнаружены величины, сохраняющиеся в тех или иных явлениях.

Физики обратили внимание на количественную связь различных явлений природы – механических, тепловых, электрических, химических – и мерой этой связи выступает энергия. О том, что энергия обладает свойством сохранения, стало известно в середине XIX века. К этому времени был сформулирован закон сохранения энергии – закон, который вскоре стал краеугольным камнем всего естествознания. Заслушаем сообщение об истории открытия этого закона.

Выступление 1-го учащегося.

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Роберта Майера (1814 - 1878), Джеймса Джоуля (1818 – 1889), Германа Гельмгольца (1821 – 1894). Никто из них не был профессиональным физиком. Майер и Гельмгольц были по образованию врачами, Джоуль был инженером. К открытию они пришли разными путями.

Джоуль вначале заинтересовался выделением тепла в проводнике, по которому течёт электрический ток (закон Джоуля – Ленца). Это побудило его заняться изучением связи между теплотой и работой, в том числе и механической. Он измерял количество работы, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней мешалкой. Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и теплота, полученная жидкостью. Как ни менялись условия опыта: брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки – результат был один и тот же. Всегда из одного и того же количества работы получалось одно и то же количество теплоты.

Гельмгольц и Майер пришли к выводу о сохранении энергии, рассматривая физиологические процессы.

Учитель физики.

Никто, нигде, никогда не наблюдал нарушение закона сохранения. Любое событие, происходящее в мире, связано с превращением энергии. Любое! Нет превращения энергии, нет и события.

Справка учащегося.

30% энергии отражается облаками и поверхностью Земли в космическое пространство и рассеивается в атмосфере.

20% энергии поглощается облаками в верхних слоях атмосферы.

50% энергии достигает поверхности Земли.

Учитель физики. На что расходуется энергия, достигшая поверхности Земли?

Ответ учащегося (по таблице “Превращение энергии в природе”).

Часть солнечной энергии поглощается и повышает температуру Земли. Воздух, соприкасающийся с Землёй, подогревается и расширяется, становится менее плотным, чем воздух над ним, и поднимается. Это создаёт восходящий поток воздуха. Водяной пар в потоке воздуха конденсируется и образует облако. Окружающий воздух замещает поднявшийся вверх, при этом образуются ветры.

Учитель физики. Какие превращения энергии при этом происходят?

Ответ учащегося (по таблице “Превращение энергии в природе”).

Когда часть поступающей от Солнца энергии поглощается Землёй, то наблюдается увеличение внутренней энергии Земли и соответствующее повышение температуры. Часть этой энергии передаётся воздуху, соприкасающемуся с Землёй. Кинетическая энергия молекул газов воздуха увеличивается. С подъёмом молекул газов и капелек воды уменьшается кинетическая энергия и возрастает потенциальная энергия. Рано или поздно потенциальная энергия капель высвобождается в виде кинетической энергии, когда капли выпадают в виде дождя или града.

Как видим, в неживой природе происходит превращение одного вида энергии в другой, при этом всегда оказывается, что энергия не создаётся и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

Учитель физики. Итак, тепловая энергия Солнца превращается в механическую энергию в виде ветра, дождя, града. Атмосферные осадки – основной источник питания рек. На пути своего течения река собирает сама и с помощью притоков выпадающие атмосферные осадки с огромной территории. Как человечество использует энергию этой воды, и какие превращения энергии при этом происходят?

Выступление 2-го учащегося (по таблице “Превращение энергии в природе”).

Вода в реках обладает как кинетической, так и потенциальной энергией относительно Земли. Поднимая уровень воды в реке с помощью плотины, мы увеличиваем её потенциальную энергию. Например, высота Красноярской ГЭС на Енисее 124 м. На такой высоте даже 1 м³ воды обладает потенциальной энергией, превышающей миллион джоулей.

При падении воды её потенциальная энергия переходит в кинетическую. Кинетическую энергию движущейся воды используют для приведения в движение лопастей турбины. Эта турбина заставляет вращаться вал электрического генератора, вырабатывающего электрический ток.

Таким образом, люди используют энергию падающей воды для получения электроэнергии.

Учитель биологии. Что касается законов физики, до сих пор не обнаружено границ между неживыми предметами и живыми существами, хотя последние устроены гораздо сложнее. Рассмотрим превращения энергии в живой природе. Каким образом живые организмы обеспечивают себя энергией?

Ответ учащегося. Энергия, необходимая для жизнедеятельности всех живых организмов, заключена в химических связях сложных органических соединений, поступающих с пищей. Такими веществами являются белки, жиры и углеводы. Человек употребляет пищу растительного и животного происхождения.

Учитель биологии. Каким образом растения обеспечиваю себя органическими веществами?

Ответ учащегося. Растения образуют органические вещества в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного излучения.

Учитель биологии. Что такое фотосинтез?

Выступление 3-го учащегося (по таблице “Превращение энергии в природе”).

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды в хлоропластах листьев на свету, и при этом выделяется кислород.

Энергия солнечного излучения в хлоропластах листьев растений превращается во внутреннюю (химическую) энергию органических веществ, которые служат пищей как для самих растений, так и для всех живущих на Земле животных организмов.

Установлено, что для образования 1 моль глюкозы (180г) при фотосинтезе необходимо поглощение 2870 кДж световой энергии. Энергия растений по пищевой цепи передаётся животным и людям.

Учитель биологии. Каким образом живые организмы извлекают энергию из сложных органических соединений?

Ответ учащегося. В результате окисления белков, жиров, углеводов в каждой клетке тела происходит расщепление сложных молекул до более простых веществ, и в результате этих реакций освобождается энергия. Организм человека можно рассматривать как уникальный химический реактор, в котором происходит огромное количество химических превращений. Их главная особенность в том, что все реакции в организме идут в очень мягких условиях при невысокой температуре и атмосферном давлении благодаря работе ферментов.

Учитель биологии. Что такое ферменты?

Ответ учащегося. Ферменты – это биологические катализаторы, которые направляют, ускоряют биохимические реакции в клетках организма.

Учитель биологии.

Рассмотрим пример окисления обычного сахара (сахарозы):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ = 12СО₂ + 11Н₂О + 5654 кДж

Это уравнение показывает, что химические соединения содержат большой запас энергии. Можно рассчитать тепловой эффект реакции. Сколько литров воды комнатной температуры (t₁ = 20 ^oC) можно довести до кипения (t₂ = 100 ^оС) при окислении 1 моль сахарозы (342г сахара)?

Ответ учащегося (решение уравнения у доски).

Учитель биологии. Таким образом, при полном окислении 1 моль сахарозы (342г) освободившейся энергии достаточно, чтобы довести до кипения 17 литров воды комнатной температуры. Очевидно, что даже несколько кусочков сахара в случае их быстрого и полного окисления было бы достаточно для перегрева организма. Однако процессы окисления в организме сильно растянуты во времени.

45% энергии, которая освобождается в организме в результате окислительных реакций, рассеивается в виде тепла (тепловая энергия).

55% этой энергии клетки организма запасают в митохондриях. Каким образом энергия, заключённая в митохондриях, используется клетками организма?

Ответ учащегося (по таблице “Энергообеспечение клетки”).

Клеточная энергия, заключённая в митохондриях, используется для обеспечения жизнедеятельности каждой клетки: на воссоздание клеточных структур, для роста, развития организма, на выполнение организмом работы. Иначе говоря, потенциальная энергия (химическая энергия) сложных органических соединений, поступающих с пищей, превращается:

– в тепловую энергию (для поддержания постоянной температуры тела);

– в механическую энергию (при мышечном сокращении);

– в электрическую энергию (при передаче нервного импульса).

Учитель биологии.

Как видим, в человеческом организме происходит превращение одного вида энергии в другой, при этом всегда оказывается, что энергия не создаётся и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.

Даже в условиях полного покоя человек расходует некоторое количество энергии. В организме непрерывно тратится энергия на физиологические процессы, которые не останавливаются ни на минуту. Идут процессы обмена в клетках, работает сердце, почки, лёгкие, печень и другие органы. Поддерживается постоянная температура тела.

Таблица “Расход энергии человеком массой 70 кг в повседневной жизни”

(взята из “Концепции современного естествознания” Т.Я. Дубнищевой, 1997, с.182)

Активный образ жизни и мышечная работа значительно увеличивают расход энергии. Это увеличение энергозатрат тем больше, чем интенсивная мышечная работа (по таблице “Расход энергии человеком массой 70 кг в повседневной жизни”).

Расход энергии также зависит от возраста и пола человека. Как вы думаете, в каком возрасте организм расходует больше всего энергии?

Ответ учащегося. У детей и подростков высокий уровень обмена веществ. Суточный расход энергии рассчитывают относительно массы тела. По таблице “Суточный расход энергии в разном возрасте” видно, что суточный расход энергии у детей и подростков выше, чем у взрослых.

Таблица “Суточный расход энергии человеком в разном возрасте”

Учитель биологии. Как вы думаете, должны ли отличаться суточные нормы питания у детей, подростков и взрослых людей? Ответ обоснуйте.

Ответ учащегося. Количество энергии, поступающей с пищей, должно полностью покрывать энергетические расходы организма. Кроме покрытия энергетических затрат, растущему организму необходимы питательные вещества для роста тела, поэтому потребность в пище у детей и подростков выше, чем у взрослых.

Учитель биологии. Очень важно учитывать, сколько энергии поступает в организм с пищей и сколько тратится в течение суток. Какие заболевания возникают, если нарушается равновесие между поступлением и расходом энергии в организме?

Ответ учащегося. У людей, ведущих малоподвижный образ жизни, потребление высококалорийных продуктов превышает энергозатраты организма, поэтому возрастает масса тела, что со временем может привести к ожирению. Если организм получает недостаточное количество питательных веществ, то это может привести к снижению веса. Во время продолжительного голода, например, в блокаду Ленинграда во время Великой Отечественной войны, люди страдали дистрофией.

Учитель биологии.

Приведённые примеры наглядно демонстрируют связь организма с окружающей средой посредством обмена веществ и превращения энергии.

Человек не удовлетворяется той энергией, которую может получить естественным путём от Солнца или поедая растений и животных. Уже в древности, чтобы защитить себя от холода и диких зверей, человек научился использовать огонь, сжигая растения и древесину (подвергая реакции окисления, заключённые в них углеводы).

Рассмотрим использование и преобразование энергии в деятельности людей.

Выступление 4-го учащегося (по таблице “Превращение энергии в природе”).

Отмершие остатки растений и животных через миллионы лет превращаются в уголь, торф, нефть, газ. Эти полезные ископаемые человек использует в качестве топлива. При сгорании угля, торфа, нефти, газа высвобождается запасённая в них солнечная энергия. Когда горючие материалы сгорают, то высвобождается тепловая энергия, которая заставляет воду превращаться в пар, который, в свою очередь, приводит в движение турбину. Кинетическая энергия турбины превращается в генераторе в электрическую, а электрическая – во внутреннюю и механическую энергии.

Учитель физики. Итак, получить энергию, пригодную для использования, можно только за счёт её преобразования из других форм. Обратите внимание, что после многочисленных превращений вся полученная энергия преобразуется в конечном итоге во внутреннюю энергию окружающих тел. Мы вновь убеждаемся в том, что энергия не создаётся и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. В этом состоит закон сохранения и превращения энергии.

Формулировку закона сохранения и превращения энергии запишем в тетрадь.

Общее количество энергии в любой изолированной системе остаётся постоянным, энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

Если данная система претерпевает изменения, переходя из исходного состояния в конечное, это может сопровождаться поглощением энергии из окружающей среды или, напротив, выделением энергии в среду. Различие между содержанием энергии системы в её исходном и конечном состояниях точно соответствует изменению содержания энергии в окружающей среде.

Учитель биологии. Любопытно, как к идее о сохранении энергии пришёл врач Юлиус Роберт Майер.

Выступление 5-го учащегося.

В 1840 году Майер в качестве судового врача отправляется на голландском корабле в Индонезию. И вот однажды, во время стоянки корабля на о.Ява, пуская кровь заболевшим матросам, Майер был поражён ярким цветом венозной крови (такой цвет у жителей холодной Европы имела артериальная кровь). Майер даже испугался, думая, что случайно вместо вены попал в артерию. Но местные врачи успокоили его и объяснили, что в тропических странах кровь имеет ярко-красный цвет.

Учитель биологии. Почему артериальная кровь ярче, чем венозная?

Ответ учащегося. Артериальная кровь содержит больше кислорода, чем венозная кровь.

Учитель биологии. Почему у жителей южных широт венозная кровь ярче, чем у северчан?

Ответ учащегося. Это связано с тем, что организму человека в тёплом климате не нужно тратить много кислорода для поддержания стабильной температуры тела, и поэтому большая доля кислорода остаётся в венозной крови, определяя её цвет. В холодном климате почти весь кислород из артериальной крови расходуется, и его остаётся мало в крови венозной.

Учитель биологии. На основании своих наблюдений Майер сделал вывод о том, что образование теплоты в организме, происходящее в результате окисления, должно быть сбалансировано с потерей теплоты организмом. Это уже есть идея сохранения энергии, которая стала для Майера как бы религиозным откровением, развитию и защите которой он посвятил всю жизнь.

По теме урока “Превращение энергии” решим несколько задач.

Задача №1. Объясните, почему на морозе, когда он становится чувствительным, люди начинают притопывать и подпрыгивать?

Ответ. Организму надо согреться. При всякой механической работе (в том числе и при подпрыгивании) расходуется запас энергии, который находится в митохондриях клеток. Освобождение клеточной энергии идёт на нагревание организма.

Задача №2. В живом организме работа совершается за счёт изменения внутренней энергии системы. Медведь – большой любитель мёда. Чтобы уберечь от разорения медведем дупло, в котором поселились дикие пчёлы, над дуплом подвешивают на верёвке бревно. Подбираясь к дуплу, медведь наталкивается на бревно и отталкивает его в сторону, а бревно, как маятник, возвращаясь в положение равновесия, ударяет медведя. Всё сильнее и сильнее толкает медведь бревно и всё больше и больше ощущает ответный удар. И так до тех пор, пока обессиленный медведь не упадёт на землю. Кто свалил медведя?

Ответ. Отбрасывая подвешенное бревно, медведь превращал энергию своих мускулов в потенциальную энергию поднятого бревна. Наконец, наступило утомление мышц – временная потеря трудоспособности. Медведь, обессиленный от борьбы с бревном, сам свалил себя на землю.

Задача №3. Можно ли создать вечный двигатель? Ответ обоснуйте.

Ответ. Вечный двигатель – машина, которая позволила бы совершать больше работы, чем тратится энергии. Закон сохранения энергии запрещает получение энергии больше, чем затраченная энергия.

Заключение урока.

Изменение и сохранение – вот две противоположные стороны, характерные для нашего мира.

Сегодня на уроке мы убедились в справедливости закона сохранения и превращения энергии для живой и неживой природы. Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий и применяемым и во всех отраслях естествознания.

Закон сохранения и превращения энергии является научной формулировкой философского принципа о вечности и неуничтожимости материи.

Домашнее задание.

Составить цепь энергетических превращений, когда мы пилим ножовкой кусок металла.

Ответ. Химическая энергия, образованная в организме человека в результате пищеварения, превращается в кинетическую энергию полотна ножовки. Часть этой энергии расходуется на отделение металлической стружки от куска металла, а часть превращается в тепловую энергию. Полотно ножовки и металл раскаляются, часть энергии расходуется в виде звука.

Литература

1. М.М.Балашов. О природе. – М.: Просвещение, 1991. С.30.
2. С.В.Громов, Н.А.Родина. Физика. – М.: Просвещение, 1999. С.42.
3. Т.Я.Дубнищева. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО “Издательство ЮКЭА”, 1997. С.176-183.
4. И.Д.Зверев. Человек. Организм и здоровье. – М.: Вентана – Граф, 2000. С.140-143.
5. В.Л.Кретович. Биохимия растений. – М.: Высшая школа, 1986. С.290.
6. Я.И.Перельман. Занимательная механика. – Домодедово: BAПVAP, 1994. С.130
7. Г.Роуэлл, С.Герберт. Физика. – М.: Просвещение, 1994. С.174, 178.
8. Л.В.Тарасов. Современная физика в средней школе. – М.: Просвещение, 1990.
9. С.А.Чандаева. Физика и человек. – М.: АО “Аспект пресс”, 1994. С.131.