Интегрированный урок физика+биология "Кровообращение. Закон Бернулли"8 класс.
план-конспект урока (физика, 8 класс) по теме

Закон Бернулли

  P1    =     v2

  P2           v1

Интегрированный урок.

Биология + Физика.8 класс.

Тема урока. Кровообращение. Закон Бернулли.

(Обобщающий  интегрированный урок : БИОЛОГИЯ + ФИЗИКА)  2 часа.

  Цели:

Образовательная : 

- реализация межпредметных связей  с учебными дисциплинами  «Биология»  и «Физика»;

- выяснить значение физических факторов, обуславливающих непрерывное движение крови;

- пропрограммное обучение физики.

 Развивающая :

- развивать интерес к предметам биологии и физике;

- развивать умение сравнивать, сопоставлять и выделять общие признаки;

- формирование навыков работы с медицинскими приборами.

Воспитывающая :

- воспитывать заинтересованность в знаниях, любознательность, собранность.

Оборудование и материалы: плакаты, модель сердца, волновая машина, опорные конспекты (для каждого учащегося), карточки с задачей.

Ход урока.

1. Организационный момент / 2 минуты /

2. Проверка знаний, их актуализация / 10 минут/.

3. Объяснение нового учебного материала /65 минут/.

4. Закрепление /5 минут/.

5. Подведение итогов урока/3-5 минут/.

6. Домашнее задание / 3 минуты/.

2. Проверка знаний, их актуализация знаний.

1. Каково значение кровеносной системы?
2.  Чем артерии отличаются от вен?
3.  Какую функцию выполняют капилляры?
4. Как устроено сердце?
5. Какую роль играют створчатые клапаны?
6. Как работают полулунные клапаны?
7. Где начинается и заканчивается большой круг кровооб ращения?
8. Что происходит с кровью в малом круге кровообраще ния?
9. Почему у артерий более толстые стенки, чем у вен?
10. Почему мышечная стенка левого желудочка значительно толще мышечной стенки правого желудочка?
11.   В чем причины огромной трудоспособности сердца?
12. Какие фазы можно выделить в работе сердца?
13. Что происходит с предсердиями и желудочками i
    вую фазу?
14. В какую фазу желудочки сокращаются, а предсердия ослаблены?
15. Сколько времени длится пауза?
16. Сколько процентов времени в сердечном цикле сердце отдыхает?
17. В чем суть автоматизма сердца?
18. Как регулируется работа сердца?

Эпилог

Ю. Майер ( немецкий врач и естествоиспытатель):

« Сейчас нельзя обойтись без знаний физики, если ты хочешь достигнуть ясности относительно физиологических вопросов в анатомии…».

В. И. Даль:

« Сердце…,сжимаясь и расширяясь поочередно для выгона и принятия крови, рождает пульс или бой, отзывающийся во всех боевых жилах тела.»

3. Изучение нового учебного материала

Учитель биологии:

1. История открытия кровообращения.

     Андре Визалий в 1543 г. Из-за разногласий с церковью сжег свои научные труды по анатомии и стал в Мадриде придворным врачом.

      Однажды он вскрыл труп умершего человека, чтобы установить причину смерти. Ужас охватил всех присутствующих, т.к. сердце слабо сокращалось, а из «трубок» текла кровь. Инквизиция обвинила Визалия во вскрытии живого человека, приговорила его к паломничеству в Палестину, откуда он не вернулся. С этого момента началось исследование системы кровообращения.

      Позднее Гален исследовал работу аорты.

      К. Бернар, Н.С.Коротков, С. Рива- Гоччи, С. Хейлс, Ю.Майер – имена ученых – физиологов, которые за многие сотни лет смогли дать полную характеристику строения и функции системы кровообращении.

2.Кровяное давление, его роль в движении крови по сосудам.

     Каждый из нас много раз слышал фразу «кровяное давление», нередко прибегал к услугам мед работника и измерял свое кровяное давление.

     Кровяное давление создается сердечными сокращениями и сопротивлением стенок сосудов.

     Способ определения кровяного давления был предложен российским врачом Н. С. Коротковым в 1905 году во время русско-японской войны. Сейчас этот способ носит его имя. Манжетку надевают на плечо, с помощью груши накачивают воздух. Фонендоскоп прикладывают к месту локтевого сгиба, там, где проходит плечевая артерия.

     Давление в манжетке выше кровяного давления в артерии. Звуков не слышно.

     Открываем винт груши и слышим удары. Первый – это максимальное (верхнее) давление, которое вызвано сокращением желудочков сердца. Последний – минимальное (нижнее) давление, при расслаблении желудочков.

16-15 лет   Р = 110 -  126  мм.рт.ст.

60 лет         Р = 135 - 140  мм.рт.ст.

Отклонение от нормы вызывает заболевание :  -         гипертонию,

                                                                                -         гипотонию.

     Кровяное давление зависит не только от работы сердца, но и от количества крови в организме.   Замечено, что чем дальше сосуд находится от сердца, тем ниже в нем кровяное давление.

Учитель физики:

3. Сердце – насос.

     Наше сердце – это насос, устройство которого можно сравнить с работой  поршневого жидкостного насоса.

     Насос состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз плотно прилегающий к стенкам  поршень 1. В нижней части цилиндра и в самом поршне  установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При                   движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем.

     При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При последующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним и т.д.  

4.Силы, действующие на кровь при ее движении, -

 сила давления и сила сопротивления (трения).

     Известно, что при движении одного тела по поверхности другого возникает сила, направленная противоположно скорости и мешающая телу двигаться.

     Эта сила называется силой трения.

     Сила терния – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга.

     Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Другая причина – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

     Таким образом,  при движении крови по сосудам  возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше.

      Нам известно, что на жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление  по закону Паскаля передается по всем направлениям одинаково.

       Следовательно, на кровь при ее движении действуют силы давления и трения.

  Учитель биологии:

     Итак, мы разобрались, что особое строение кровеносной системы влияет на движение крови по сосудам.

     Какова же роль самих сосудов?

     Сосуды образуют пульсовые волны.

5.Пульсовые волны.

     Итак, мы говорим о том, что сердце – это насос, который работает в импульсивном режиме.

     Длина импульса = 0,25 с , за это время сердце взрослого человека выталкивает из себя в аорту около 0,1 л крови.

     Движение крови по сосудам – процесс довольно сложный. Стенка артерий и аорты обладает высокой эластичностью. Поэтому, когда кровь поступает в аорту, ее стенки начинают расширяться до тех пор, пока приток крови не остановится. Стенки аорты пытаются под действием силы упругости вдавить кровь в отдаленные от сердца сосуды, чтобы принять свою первоначальную форму, т.к. обратному току препятствует клапан сердца. И так повторяется до бесконечности.

     Таким образом, после каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому как идут волны от удара камня о воду.

  Демонстрация.  Воздушный шарик с водой.

Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье. -     ЭТО  ПУЛЬС !

Определение. 

Пульс – это колебания стенок сосудов вызванные изменением давления крови в результате работы сердца.

Измерение пульса.   За 1 минуту        

                                   За 10 секунд       в состоянии покоя и после нагрузки.

( 25 приседаний! ) Нормализация пульса – работа – саморегуляции.

    Измерять частоту пульса люди научились еще  III тыс. лет до н. э., когда китайский император Хоам Ту с придворным врачом Ли – Пе ( Мг – Пе ) использовали регуляцию пульса для постановки диагноза.

     Они изучали пульс  в нескольких точках и различали 28 типов : глубокий, редкий, частый, тонкий и т.д.

     Пульс – является основным показателем здоровья и в настоящее время.

Учитель физики:

     Как стало известно, пульс – это колебания стенок сосудов.  

Так что же такое колебание ? С колебаниями мы встречаемся практически везде. Это один из самых распространенных видов движения в природе и технике. Колеблются деревья, пшеница в поле, струны музыкальных инструментов, поршни двигателя; землетрясения, приливы и отливы.

С колебаниями мы встречаемся и в живой природе : биение сердца, движение голосовых связок и т.д.

     Колебаниями называются физические процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые интервалы времени.

     Процесс распространения колебаний с течением времени называется волной.

      Источником пульсовых волн является сердце.

ЭКГ сердца – это и есть графическое изображение пульсовой волны с течением времени. Пульсовая волна – это поперечная волна – волна, в которой  колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

     Т.к. волны – это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, то они распространяются с какой- то скоростью.

     Скорость распространения волны деформации кровеносного сосуда может значительно отличаться от скорости распространения волны сжатия в крови. Последняя, очевидно, равна скорости распространения звука и составляет несколько сотен метров в секунду, тогда как волны деформации проходят за секунду несколько метров.

     Измерить скорость распространения пульсовой волны удалось лишь в начале ХХ в., когда появились первые безынерционные регистрирующие приборы. Эта скорость, как правило, равна  3 – 15 м/с, что в десятки раз превышает среднюю скорость движения крови по сосудам.

     Оказалось, что скорость распространения пульсовой волны зависит от упругости артериальной стенки, поэтому может служить показателем ее состояния при различных заболеваниях.

      Интересно, что впервые формула для скорости распространения пульсовых волн в артериях была выведена знаменитым английским ученым Томасом Юнгом в 1809 г., которого сейчас помнят главным образом как создателя волновой теории света, а еще потому, что его именем назван модуль упругости материалов. Но он был и автором классических работ по теории кровообращения, в том числе и по распространению пульсовых волн в артериях. Это была поистине незаурядная личность.

   Интересно, что уже с двухлетнего возраста Юнг умел читать, а к четырнадцати годам владел десятью языками, играл чуть ли не на всех музыкальных инструментах и владел навыками циркового артиста. Всю жизнь он совмещал две профессии – практикующего врача и физика.

  Выражение для скорости распространения пульсовой волны :

υ2 =  Е h  / (ρ d),

где υ- скорость,

     Е-  модуль Юнга,

     h – толщина стенки,

    ρ – плотность,

    d -  внешний диаметр артерии.

Скорость пульсовой волны зависит         от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга.

C возрастом, а также при заболеваниях, сопровождающихся потерей упругости стенки артерий (гипертонии, атеросклерозе) , υ  может увеличиваться в 2-3 раза по сравнению с нормой. Это позволяет использовать измерение скорости распространения пульсовой волны для постановки диагноза.

Учитель биологии:

    Создана таблица, где указана зависимость скорости распространения пульсовой волны по аорте от возраста и кровяного давления.

     Итак, мы выяснили физическую закономерность происхождения пульсовых волн.

     С точки зрения биологии можно еще обратить внимание на нарушение данного явления, которое ведет к неминуемой смерти человека.

Это аневризмы. Пульсовые волны повторяются около 100 тыс. раз за сутки и около 2,5 млрд. в течении жизни.

Подобную нагрузку стенки сосудов способны выдержать. Но иногда стенка начинает  расширяться, образуя аневризму – расширение,  оно прогрессирует и со временем не выдержав сосуд лопается, что приводит к смерти.

     Обычно это бывает в зрелом возрасте. Кардиограмма позволяет раньше установить наличие аневризм и провести шунтирование.

     Аневризма – заболевание, объясняемое физическим законом – законом Лапласа.

Учитель физики:

     Рост аневризмы – это проявление закона Лапласа (французского астронома и математика, открывшего зависимость между напряжением Т, растягивающим стенку кровеносного сосуда – отношение силы к площади продольного сечения стенки сосуда, - его радиусом R, давлением внутри сосуда р и толщиной его стенки h):

                                            Т= р R / h.

     Из закона Лапласа следует, что при увеличении р должно увеличиваться и Т , что приводит к растяжению  стенки сосуда и увеличению его радиуса  R.

Но т.к. объем стенки аорты можно считать постоянным, то увеличение ее радиуса должно сопровождаться утончением стенки, что в свою очередь ведет к разрыву аневризмы.

       Таким образом, причиной возникновения аневризмы является не только возросшая амплитуда артериального давления, но и изменение  механических свойств артериальной стенки.

6.Скорость кровотока. Изменение скорости  кровотока в зависимости от размеров сечения сосудов.

А) Сравнение скорости течения крови на различных участках кровяного русла.

     Кровообращение у человека и животных – это движение крови по «трубам» - кровеносным сосудам.  Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу.

     Согласно закону Паскаля (7 класс), неподвижная жидкость в сосуде передает внешнее давление одинаково во всех направлениях.

     Но когда жидкость течет по трубе (кровь по сосудам) /без учета трения жидкости о трубу/, площадь поперечного сечения которой на разных ее участках различна, то давление оказывается неодинаковым вдоль трубы (сосуда).

     Б) Физическое выражение зависимости скорости течения от площади поперечного сечения сосуда.

     В движущейся части давление (р) зависит от площади сечения (S), а следовательно, и от скорости жидкости (крови) (υ ).

     Т.к. жидкость (кровь) практически несжимаема, то количество жидкости, проходящее за время t через поперечное сечение S1, равно количеству жидкости (крови), проходящей за это же время через сечение S2.

Если бы протекало разное количество жидкости (крови), то избыток жидкости (крови) должен накапливаться где-то; но жидкость заполняет всю трубу (сосуд)  и накапливаться ей негде.

Значит, V1=V2 (объемы вытесненной жидкости /крови/ за время t).

Раскроем объемы и получим:

S1 ι1 = S2 ι2 .

Но  ι1 = υ1 t,

     ι2 = υ2 t.

                     Получаем        S1 υ1 t = S2 υ2 t.

υ1                S2                  При прохождении узких частей трубы (сосуда)                    

υ2                 S1     .           скорость  жидкости (крови) больше и  наоборот.   

В) Закон Бернулли применительно к кровообращению. Несоответствие между скоростью течения крови и ее давлением.

   Значит, при проходе жидкости из трубы с большим сечением (S1 ) в трубу (сосуд)  с меньшим сечением (S2), скорость ее увеличивается, следовательно, жидкость движется с ускорением. А причиной ускорения является сила. Этой силой, в данном случае, является разность между силами давления жидкости (крови)  в широком и узком сечениях.

(Fдавл.= p S).

∆Fдавл = S (р1 – р2)/

р1       S1                              Чем больше S, тем больше p.

      =

   р2            S2

Сопоставив

 υ1                S2                        р1         S1                              

    υ2         S1         и       р2               S2          ,

имеем :          

 р1                       υ2  

     =              ___ закон Бернулли.

 р2                   υ1

Закон : Давление текущей жидкости больше в тех частях трубы, где скорость ее движения меньше, и наоборот, в тех частях, где скорость больше, давление меньше.

Выводы:   

1) Все законы анатомии подчинены законам физики!

2) Непрерывность кровотока в организме обеспечивается биологическими и физическими закономерностями.

4. Закрепление:

1. конспект.
2.  задача
3. измерение давления и пульса

5. Подведение итогов.

Выставление оценок.

6.Домашнее задание:

 1.  Стр.

 2.  Опорный конспект

 3.   Записи в тетради

                                 Кровообращение

Законы биологии                                                                                           Законы     физики

                                                                     Сердце – насос

Кровяное давление

(Н.С. Коротков 1905 г.)                                                                                                                                      

тонометр                 16-50 л   = 110-126 мм.рт.ст.                                                                  

фонендоскоп           60 л   = 135-140 мм.рт.ст.                                                                                

Р

           гипертония

           гипотония

                                                                    Пульсовые волны (Хоам Ту и Ли Пе)

                                                           Импульс  =  0,25 с                        0,1 л крови

                                                   Пульс              состояние покоя

                                                                            нагрузка

                                  Аневризма            =           Закон Лапласа        Т = р R / h

                                υ 2 = E h / (ρd)  - скорость распространения пульсовой волны

         υ1      =    S2      ;           р1      =    S 1   ;                 р1       =       υ2           -      закон Бернулли

            υ2                 S 1              р2           S2                       p2               υ1

Зависимость скорости кровотока от поперечного сечения сосуда (жидкости от поперечного сечения трубы).

 L1, v1

L2, v2

S1

S2

Т.к. масса крови, проходящей через сечение сосуда, остается постоянной, то и объем крови в каждом сечении остается постоянным: V1 = V2.

Рассчитайте зависимость скорости движения крови от сечения сосуда.

Задача.

     Пусть р1 (давление в аорте) = 150 мм.рт.ст., υ1 (скорость крови в аорте) = 0,5 м/с,  υ2  (скорость крови в артерии) = 0,25 м/с.  Найдите давление р2  в артерии. Во сколько раз давление в аорте больше давления в артерии?

Дано:              СИ                                               Решение

Ответ:

__________________________________________________________________

Задача.

     Пусть р1 (давление в аорте) = 150 мм.рт.ст., υ1 (скорость крови в аорте) = 0,5 м/с,  υ2  (скорость крови в артерии) = 0,25 м/с.  Найдите давление р2  в артерии. Во сколько раз давление в аорте больше давления в артерии?

Дано:              СИ                                               Решение

Ответ:

L1, v1

L2, v2

S1

S2

Контрольная работа. Электромагнитные явления.

Вариант 1.

1. Кто открыл явление электромагнитной индукции?

А/ Х.Эрстед,      Б/ Ш.Кулон,       В/ А.Вольта,        Г/ А.Ампер,

Д/ М.Фарадей,      Е. Д.Максвелл.

2. Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит ЭДС электромагнитной индукции в катушке?

1/ в катушку вставляется постоянный магнит,

2/ из катушки вынимается постоянный магнит,

3/ постоянный магнит вращается вокруг своей продольной оси внутри катушки

          А/ только в случае 1,   Б/ только в случае 2,      В/ только в случае 3,

           Г/ в случаях 1 и 2,       Д/ в случаях 1,2 и 3.

3. Как называется физическая величина, равная произведению модуля В индукции магнитного поля на площадь S поверхности, пронизываемой магнитным полем, и косинус угла α  между вектором  В индукции и нормалью n  к этой поверхности?

А/ индуктивность,    Б/ магнитный поток,     В/ магнитная индукция,

Г/ самоиндукция,      Д/ энергия магнитного поля.

4. Как называется единица измерения магнитного потока?

А/ тесла,      Б/ вебер,       В/ фарад,        Г/ генри.

5. На рисунке изображено сечение проводника с током. Определите направление   магнитного поля тока. / а/.
6. Покажите с помощью условных обозначений, в каком направлении течет ток в   проводе, если линии магнитного поля направлены так, как показано на рисунке.  /б/

7. Определите направление линий магнитного поля внутри соленоида и его полюсы в следующих случаях:

       8.  Закончите рисунок:

1. На прямой проводник длиной 40 см, расположенный перпендикулярно силовым  линиям магнитного поля с индукцией 0,03 Тл, действует сила 0,12 Н. Найдите силу тока, протекающего по проводнику.

2. Какой магнитный поток пронизывает плоскую поверхность площадью 400 см2  при индукции 0,5 ТЛ, если эта поверхность расположена под углом 300 к вектору индукции?

Вариант 2.

1. Как называется явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через контур?

А/ электростатическая индукция,     Б/ явление намагничивания,

В/ сила Ампера,       Г/ сила Лоренца,      Д/ электролиз,

Е/ электромагнитная индукция.

2.  Выводы катушки из медного провода присоединены к чувствительному гальванометру. В каком из перечисленных опытов гальванометр обнаружит возникновение ЭДС электромагнитной индукции в катушке?

1/ в катушку вставляется постоянный магнит,

2/ катушка надевается на магнит,

3/ катушка вращается вокруг магнита, находящегося внутри нее.

             А/ в случаях 1,2 и 3,       Б/ в случаях 1 и 2,        В/ только в случае 1,

             Г/ только в случае 2,      Д/ только в случае 3.

3. Каким из приведенных ниже выражений определяется магнитный поток?

А/ BS cos α ,             Б/   ∆Ф/ ∆t,             В/ qVBsinα ,             Г/ qVBI,       Д/ IBl sinα.

4. Единицей измерения какой физической величины является 1 вебер?

А/ индукция магнитного поля,      Б/ электроемкости,

В/ самоиндукции,              Г/ магнитного потока,           Д/ индуктивности.

5.   На рисунке изображено сечение проводника с током. Определите направление      магнитного поля тока. / а/.

1. Покажите с помощью условных обозначений, в каком направлении течет ток в   проводе, если линии магнитного поля направлены так, как показано на рисунке.  /б/

2. Определите направление линий магнитного поля внутри соленоида и его полюсы в следующих случаях:

       8.  Закончите рисунок:

9.  По проводнику длиной 45 см протекает ток силой 20 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещен проводник, если на проводник действует сила

 9 мН?

10. Какой магнитный поток пронизывает плоскую поверхность площадью 45 см2 при индукции поля 0,6 Тл, если эта поверхность расположена под углом 600 к вектору магнитной индукции?