Межпредметные связи на уроках физики. Связь физики и биологии.
статья по физике

Межпредметные связи на уроках физики. Связь физики и биологии.

Физика является одной из фундаментальных наук. Для развития физики не требуется никаких других дисциплин, однако в то же время она может входить в контакт с биологией, химией, географией, астрономией и другими предметами. В наше время наиболее четко выражен процесс слияния разных наук в одну, в так называемую, гибридную. Такое объединение происходит благодаря единству окружающего нас мира. Каждая отдельная дисциплина не только улучшается в своем направлении, но и расширяет возникновения гибридных наук, например, биофизика, физическая химия, астрофизика, физическая география и т.д.

Рассмотрим слияние физики и биологии на примере одного урока. Например, тему по физике «Механическая работа» можно рассмотреть с параллельной ей темой из биологии «Работа мышц и ее регуляция» и «Строение и работа сердца». Урок проводится для обобщения и углубления знаний о механической работе и рассмотрения ее в системе «Человек». При этом мы выделили триединые цели для проведения данного урока: образовательная – обобщить и систематизировать знания о механической работе на примере организма человека; развивающая – развить умение сравнивать и сопоставлять ранее изученные явления и факты; воспитательная – воспитать бережное отношение к здоровью.

При изучении данного вопроса вспоминают определение «работа» и когда она равна нулю.  Решают качественную задачу: совершает ли работу штангист, когда держит штангу над головой, с точки зрения физики и биологии, а также вспоминают какие существуют работы мышц. Мышцы выполняют работу, даже когда человек находится в неподвижном состоянии. Вычисляют работу, которую совершает бицепс. Предлагается задача: одна из самых сильных мышц – икроножная, может поднять груз в 130 килограмм. Какую она совершает работу, поднимая груз на 5 метров
Вторая часть урока направлена на изучение работы сердца. Здесь слушают выступление ученика, который рассказывает где расположено сердце, ее особенности и работу. После этого делают вывод по данной информации.

Предлагается решить фронтально задачу на вычисление работы, совершаемую человеческим сердцем за сутки. На этом основании можно сделать вывод, что тренированное сердце – это основа человеческого здоровья. На этапе закрепления знаний можно провести практическую работу. Она направлена на проверку работы собственного сердца. Подробнее рассмотрим ее практическую часть: 1) найдем пульс, для этого надо положить 2 пальца к лучезапястному суставу и придавить лучевую артерию к лучевой кости; 2) подсчитаем сколько ударов произойдет за 1 минуту в спокойном состоянии и информацию запишем в таблицу (табл. 5); 3) проделав 20 приседаний вновь подсчитаем количество ударов сразу после нагрузки, через 30, 60, 120, 180 сек. Информацию впишите в таблицу (табл.1); 4) построим график зависимости восстановления частоты сердечных сокращений от времени по полученным данным; 5) какое значение для организма имеют изменения силы и частоты сердечных сокращений? 6) напишите вывод о работе собственного сердца на основе полученных данных.

Таблица 1 – Результаты исследования

Таким образом, мы самостоятельно можем измерить свой пульс, узнать разницу при определенных нагрузках. Тем самым мы можем контролировать кровообращение и работу сердца нашего организма.

Урок направлен на повторение механической работы с точки зрения системы «Человек». Основой является физическое понятие «работа», на базе которого рассматриваются биологические закономерности.

Таким образом мы рассмотрели возможность реализации межпредметных связей с биологией на уроках физики. Привели пример урока с межпредметными связями и составили план – конспект урока.

План – конспект урока по теме «Механическая работа»

Класс: 10 класс.

Продолжительность урока: 45 минут (один урок)

Тема урока: «Механическая работа»

Цели урока:

Образовательная: обобщить и систематизировать знания о механической работе на примере организма человека.

Развивающая: развить умение сравнивать и сопоставлять ранее изученные явления и факты.

Воспитательная: воспитать бережное отношение к учебе, товарищество, уважение к другим людям и дисциплинированность.

Задачи урока:  

- вспомнить определение «работа»;

- расширить знания по теме «Механическая работа»;

- показать область применения полученных на уроке знаний в жизни человека.

Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний.

Метод преподавания: фронтальный, наглядный.

Дидактический материал: учебник, дидактический материал.

Методы контроля: фронтальный опрос, решение задач.

Учебная литература:

1) Физика. 10 класс. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский (2010 год).

2) Биология. 8 класс. В.В. Пасечник, А.А. Каменский, Г.Г. Швецов (2010 год).

Методический материал:

1. М.В. Волькенштейн «Биофизика»
2. Герман И. «Физика в организме человека»
3. https://multiurok.ru/files/miekhanichieskaia-rabota-v-sistiemie-chieloviek.html

        План урока

I.        Орг. момент – 2 мин.

II.       Обобщение и систематизация знаний – 25 мин.

III.        Закрепление знаний – 10 мин.

IV.        Сообщение домашнего задания – 4 мин.

V.        Рефлексия – 4 мин.

План – конспект урока по теме «Вязкость жидкости»

Класс: 10 класс.

Продолжительность урока: 45 минут (один урок)

Тема урока: «Вязкость жидкости»

Цели урока:

Образовательная: познакомить учащихся с понятием «вязкость жидкости».

Развивающая: развитие познавательной деятельности, логического мышления, умения выделить основные моменты.

Воспитательная: способствовать формированию положительного отношения к знаниям, воспитание интереса и любознательности, расширение кругозора учащихся.

Задача: сформировать представление вязкости жидкости, неньютоновской жидкости и вязкости крови

Тип урока: лекция.

Метод преподавания: лекция, беседа.

Методы контроля: фронтальный опрос.

Методический материал:

http://vmede.org/sait/?id=Medbiofizika_fedorov_2008&menu=Medbiofizika_fedorov2008&page=10

Структура урока:

1.        Орг. Момент – 2 мин.

2.        Изучение нового материала – 25 мин.

3.        Рефлексия – 5 мин.

Орг. момент:

Здравствуйте, сегодня у нас урок- лекция по теме «Вязкость жидкости»

План лекции:

1. Вязкость жидкости
2. Неньютоновская жидкость
3. Опыт
4. Вязкость крови

Изучение нового материала:

Вязкость жидкости.

Вязкостью называют один из видов явлений переноса. Она связана со свойством текучих веществ (газов и жидкостей), сопротивляться перемещению одного слоя относительно другого. Это явление вызывается движением частиц, которые составляют вещество.

Всем реальным жидкостям в той или иной степени присуща вязкость, или внутреннее трение. При течении реальной жидкости между ее слоями возникают силы трения. Эти силы получили название сил внутреннего трения или вязкости. Вязкость – это трение между перемещаемыми относительно друг друга слоями жидкости. Силы вязкости (внутреннего трения) направлены по касательной к соприкасающимся слоям жидкости и противодействуют перемещению этих слоев относительно друг друга. Они тормозят слой с большей скоростью и ускоряют медленный слой. Можно указать две основные причины, обусловливающие вязкость:

во-первых, силы взаимодействия между молекулами соприкасающихся слоев, движущихся с различными скоростями;

во-вторых, переход молекул из слоя в слой и связанный с этим перенос импульса.

Вследствие этих причин слои взаимодействуют друг с другом, медленный слой ускоряется, быстрый замедляется. В жидкостях ярче выражена первая причина, в газах – вторая.

Ньютон установил, что сила трения между двумя слоями жидкости прямо пропорциональна площади соприкосновения слоев и величине:

- величина, показывающая, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою.

Эта формула (1) называется формулой Ньютона для вязкого трения. Коэффициент пропорциональности  получил название коэффициента вязкости (внутреннего трения).

Жидкости, для которых выполняется формула Ньютона (1), называют ньютоновскими. Для таких жидкостей коэффициент вязкости зависит только от температуры. К ньютоновским жидкостям можно отнести плазму крови.

Для многих реальных жидкостей соотношение (1) строго не выполняется. Такие жидкости называют неньютоновскими. Для них коэффициент вязкости зависит от температуры, давления и ряда других величин. К таким жидкостям относятся жидкости с крупными сложными молекулами, например, цельная кровь, водный раствор крахмала.

В системе СИ единицей измерения коэффициента вязкости является

(паскаль – секунда),

в СГС – системе коэффициент вязкости измеряется в (пуазах), причем

.

Закон Ньютона для жидкости применяется в медицине – в лабораториях определяют вязкость крови для выяснения на содержание эритроцитов, общего содержания белка и соотношения его фракций в плазме, а также содержания в крови углекислоты. Повышение вязкости отмечается при сгущении крови и некоторых видах лейкозов (эритремии, миелофиброзах), понижение — при анемиях.

Неньютоновская жидкость

Можно ли ходить по воде? Конечно, если рассматривать с точки зрения физики, то это невозможно, но это если не рассматривать неньютоновскую жидкость. Разберемся, что такое неньютоновская жидкость и почему по ней можно ходить.

Ньютоновская жидкость— вязкая, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, жидкость. Неньютоновская жидкость - это особенная, чрезвычайно непонятная и удивительная субстанция. Загадочность такой жидкости заключается в том, что при сильном воздействии на нее, она сопротивляется словно твердое тело, в то же время, при медленном – приобретает жидкие свойства. В отличие от однородной ньютоновской, она имеет неоднородную структуру и состоит из крупных молекул. Ньютоновские и неньютоновские жидкости в последнее время вызывают активный интерес не только ученых, но и простых людей. Это связано с тем, что неньютоновская жидкость легко изготавливается своими руками и подходит для домашних опытов

Проведем опыт с неньютоновской жидкостью, для этого мы должны:

• Смешать крахмал (250 гр.) и воду (100гр.) в глубокой тарелочке, для того чтобы увидеть удивительные свойства неньютоновской жидкости
• Перемешать ингредиенты до образования однородной массы.
• После этого из полученной жидкости попытаемся скатать маленький шарик. Можно заметить, что в том случае, если катать шарик очень быстро, то он будет тверже и прочнее. Если прекратить скатывать такой шарик, то он растечется по руке.
• Если аккуратно опустить палец в неньютоновскую жидкость, то он без сопротивления войдет во внутрь нее, т.е. она ведет себя как жидкость; но если резко ударить кулаком по ее поверхности, то он встретит твердый отпор.

(Ученики вместе с учителем проводят опыт)

Это все объясняется тем, что частицы крахмала набухают в воде и между ними формируется физические контакты в виде хаотических сплетенных групп молекул. Эти прочные связи называются зацеплениями. При резком воздействии прочные связи не дают молекулам сдвинуться с места, и система реагирует на внешние воздействия, как упругая пружина. При медленном же воздействии молекулы успевают растянуться и распутаться, сетка рвется и молекулы равномерно расходятся. Если в опыте взять более большой объем этой жидкости и пробежаться по ней человеку, то он теоретически не утонет и продолжит движение по ней, как по твердому телу.

Мы можем сделать вывод, что по поверхности жидкости можно не только ходить, но и даже танцевать. Главное помнить, что неньютоновская жидкость- твердая только тогда, когда есть движение. Стоит остановиться, сразу утонешь. Итак, по жидкости ходить возможно!

Вязкость крови.

Наша кровь — это тоже типичная неньютоновская жидкость. Она представляет собой суспензию эритроцитов, лейкоцитов и других элементов в плазме. А это значит, что вязкость в различных участках сосудистой системы может изменяться. Кровь – это жидкая среда организма, которая состоит из плазмы и взвешенных в ней клеток – эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Кровь определяет качество процессов, протекающих в органах и тканях. Одним из показателей качества крови является ее вязкость, которая определяется как соотношение между количеством кровяных клеток и объемом плазмы.

Вязкость крови имеет огромное значение для нормального функционирования организма человека, и в первую очередь – для сердечно-сосудистой системы. Нормальным уровнем вязкости крови считается 4-5 мПа•с, любые отклонения от этого значения могут привести к серьезным нарушениям в работе органов и систем человеческого организма. На вязкость крови влияют гематокрит, температура крови, расход крови и диаметр сосудов. Под гематокритом понимается удельный вес эритроцитов в общем составе крови: чем процент гематокрита ниже, тем жиже кровь, и наоборот, по мере увеличения процента гематокрита кровь становится более густой. Каждый градус снижения температуры тела снижает вязкость крови на два процента, а каждый градус повышения температуры тела увеличивает ее вязкость на аналогичный показатель. Быстрый приток крови провоцирует снижение ее вязкости – из-за снижающейся адгезии, то есть слипания, клеток и белков, а также клеток друг с другом. Меньший диаметр кровеносных сосудов будет снижать вязкость крови из-за снижения уровня гематокрита. Также на вязкость крови влияют различные инфекции.

Рефлексия:

Сила жидкого трения (сила сопротивления) возникает и при движении твердого тела в жидкости. Благодаря тому, что сила сопротивления растет с увеличением скорости, любое тело в вязкой среде при действии на него какой-либо постоянной силы, например, силы тяжести, в конце концов, начинает двигаться равномерно. Такое движение было предложено использовать для определения коэффициента вязкости.