Интегрированный урок биологии и физики по теме: "Биоэлектрические свойства тока, или О чем рассказала лапка лягушки"

Цели урока:

• Образовательная: углубить знания по анатомии человека раздел “Нервная система”, продолжить формирование знаний по теме “Электрические явления”, провести аналогии между сложными процессами, протекающими в природе не зависимо от их происхождения.
• Воспитательная: развивать интерес к предметам физики и биологии, воспитывать всесторонне развитую компетентную личность.
• Развивающая: продолжить формирование умений логически мыслить, выполнят самостоятельно простые опыты, и делать выводы из наблюдений, обосновывать собственное мнение.

Оборудование:

• телефонный аппарат,
• муляж головного мозга,
• таблица “Нервная система человека”,
• динамическое пособие на магнитах “Развитие нервной системы”,
• янтарь и мельчайшие перышки,
• пух,
• шерсть в чашках Петри,
• раздаточный материал;
• живой объект-лягушка,
• штативе,
• осциллограф,
• электроскопы,
• электрофорная машина,
• проводник,
• таблицы по электричеству.

Тип урока: вводный, лекционно-демонстрационный

Ход урока

I. Организационный момент, объявление темы.

II. Подготовка учащихся к восприятию нового материала.

На столе стоит телефонный аппарат и муляж головного мозга человека. Учащимся предлагается высказать свое предположение.

Что может связывать эти два объекта?

III. Изучение нового материала

1. Как появилась нервная система? (Учитель биологии)

Жизнь возникла на Земле миллиарды лет назад в Мировом океане. Тогда создались такие условия, при которых неорганические вещества превратились в органические, а затем в живую протоплазму, способную реагировать (отзываться) на внешние стимулы. Потом из этих бесформенных кусочков протоплазмы возникли одноклеточные существа, подобные амебе и инфузориям. Некоторые из них при делении образовали из тесно прилегающих друг к другу клеток колонии.

Прошли миллионы лет, и в колонии клеток прошли удивительные изменения: клетки, входящие в состав колонии, специализировались. Одни из них получили способность сокращаться, другие приобрели защитные приспособления, а третьи стали особенно чувствительны к внешним раздражителям. Под влиянием многочисленных стимулов протоплазма некоторых клеток изменила свое строение. Она приобрела способность воспринимать сигналы и передавать их другим клеткам колонии.

Эти клетки, воспринимающие раздражения из внешней среды и отвечающие на них, образовали вначале сеть, а затем систему клеток. Эта система клеток, выполняющая сторожевую и согласовывающую функции, называется нервной системой. (в процессе рассказа вывешиваются рисунки усложнения нервных клеток). Нервная система состоит из клеток, которые имеют длинные отростки (аксон). Одни отростки сравнительно короткие, другие – тонкие длинной до 70-80 см. Аксоны передают импульсы от одной нервной клетки к другой.

Как работают эти клетки?

Что такое нервный импульс?

2. Янтарь – электрон. (Учитель физики)

2.1. На столах учащихся стоят чашки Петри, в которых находятся кусочки янтаря и мелкие объекты.

- Янтарь камень биологического происхождения. Через 1-2 минуты докажите с помощью опыта, что он обладает физическими свойствами и дайте ему физическое имя. Проверим совпадет ли ваше название с тем, как его называли в древности.

2.2. “В древние времена к берегам Балтийского и Северного морей металл привозили из средиземноморских стран. Среди товаров, получаемых в обмен, особенно ценилась ископаемая смола. На севере ее называли янтарем, а на юге – электроном. Из янтаря-электрона делали украшения.

Обpaбатывая янтарь, греки заметили, что, если его натереть, он притягивает ворсинки шерсти, обрывки ниток, волосы перья, в VI до н.э. Греческий философ Фалес Милетский (из г. Милета) обнаружил это свойство. В обиходе появились даже янтарные палочки, которыми собирали пыль с одежды.

Легенда гласит, что дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном. Уронив его однажды в воду, стала обтирать веретено шерстяным хитоном и заметила, что к веретено пристало несколько шерстинок, и чем сильнее она вытирала веретено, тем больше налипало шерстинок. Дeвyшка рассказала об этом явлении отцу, тот не замедлил провести эксперимент с различными изделиями из января и обнаружил, что все они после натирания вели одинаково.

Именно от слова “янтарь” произошло слово “электричество” (греч. Ellektron – янтарь).

Придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гильберт первым обнаружил, что этим свойством обладают очень многие вещества – алмаз, сера, кварц, металлы.

Силу притяжения, которой обладает натертое тело, Гильберт назвал электрической, а связанные с этим явления – электрическими явлениями. Этим он подчеркнул янтаря-электрона в новой области науки.

Сначала электрическими явлениями только развлекались, но постепенно к ним стали, относится серьезно, им заинтересовались ученые” (Сообщение учащегося)

3. О чем рассказала лапка лягушки. (Учитель биологии)

Итальянский профессор анатомии, ученый XVIII в. Луиджи Гальвани очень интересовался и увлекался электрическими явлениями, влиянием электричества на ткани животных и произвел ряд опытов с лапкой лягушки. Сначала он показал, что лапка лягушки сокращается под действием грозовых разрядов электричества. Он подвешивал лапку к металлическому крючку и подводил к нему ток от молний. Всякий раз, поблизости была гроза или просто проходили грозовые облака, лапка сокращалась. Следующий опыт Гальвани был еще более интересным. На медных крючках он подвешивал лапки лягушек на железную ограду своего балкона. Лапка покачивалась на ветру и время от времени касалась железных прутьев балкона. При таких прикосновениях мышцы лапок тотчас же сокращались. Гальвани считал, что мышцы сокращаются под влиянием “животного” электричества, которое рождается в нервах, а медная и железная проволоки – это только замыкающие цепь проводники. Однажды Гальвани препарировал лягушку, а рядом потрескивала электрическая машина. О том, что случилось дальше, он рассказал в книге “Тpaктат о силах электричества при мускульном движении”: “Когда один из помогавших ему случайно чуть-чуть коснулся концом скальпеля до бедерного нерва лягушки…, все мускулы этого сочлeнения сократились в несколько раз, как будто в них произошли сильные судороги. Другой человек, помогавший нам при электрических опытах, как ему показалось, заметил, что это происходило, когда из кондуктора машины извлекалась искра…” (цитирует ученик) (Демонстрация опыта с лапками лягушки).

4. Столб Вольта. (Учитель физики)

Гальвани не удалось пролить свет на это загадочное явление: слишком сложны были электромагнитные явления для ученых той поры. Но опыты Гальвани помогли естествоиспытателям открыть источники электрического тока.

Вскоре не менее известный ученый Алессандро Вольта повторил опыт Гальвани, но пришел к совершенно другому выводу. Он показал, что соприкосновение меди и железа дает электрический элемент, а лапка лягушки сокращается под влиянием тока, возникающего в этом элементе. 20 марта 1800 г. Вольта написал свое знаменитое письмо, в котором сообщал, что найден постоянно действующий источник электричества: “…Я взял несколько дюжин круглых медных пластинок – серебряные еще лучше – приблизительно в один дюйм диаметром и такое же число оловянных или цинковых пластинок. Затем из пористого материала, который может впитывать и удерживать много жидкости (картон, кожа), я нарезал достаточное число кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же порядке, и что каждая пара пластинок отделялась от следующей влажным кружком…” (Рассказ учащихся)

Далее он рассказывает, что если коснуться одной рукой верхней пластинки, а другой – нижней, то почувствуешь сильный электрический удар.

Вольтов столб, таким образом, стал источником, поддерживающим перемещение электрических зарядов по проволоке, которой замкнуты его полосы. Это была первая электрическая батарея, сделанная руками человека. И все-таки Гальвани тоже был прав, так как дальнейшие исследования показали, что нервный импульс обязательно сопровождается электрическим разрядом.

(Учитель биологии)

Затем поставил опыт на себе: взяв две мотеты из разных металлов, и положил их себе в рот – одну на язык, другую под язык, соединил монеты проволокой и ощутил солоноватый вкус электричества. Попробуйте ответить на вопрос:

Почему стоматологи не ставят коронки, зубные протезы из различных металлов?

5. Первые источники электрического тока – гальванические элементы. (Учитель физика)

Элементов этих много, каждый носит имя своего изобретателя, но у всех у них есть общее название – гальванические.

Действие гальванического элемента объясняется химическими реакциями, энергия которых преобразуется в электрическую. Процесс преобразования сопровождается потерями, величина которых зависит от устройства проводников и типа химических реакций. Действие элементов хаpaктеризуют физической величиной электродвижущей силой (ЭДС), единица измерения которой – вольт.

Возьмем любой фрукт из цитрусовых, вставим в мякоть фрукта на небольшом расстоянии медную и оцинкованную пластинки. (Д/З)

Такой элемент не сможет обеспечить горение лампочки, но с гальванометра можно обнаружить небольшой электрический ток (собственный язык может тоже служить индикатором тока и не причинит вреда)

6. Можно ли измерить скорость нервного импульса (Учитель биологии)

Крупнейший немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц в середине XIX нашел очень простой способ измерения скорости нервных процессов. Оказалось, что она не очень велика. Так по нервы лягушки импульс движется со скоростью 30 м/сек, а по нервам человека – до 120 м/сек. Уже это говорило, что нервный импульс не обычный электрический ток, а гораздо более сложный процесс. Нервы – это ведь не металлические провода, а полужидкие тяжи протоплазмы живого вещества с очень сложным строением. Поэтому и ток должен быть особый – гальваническим. В металлах и других проводниках ток переносят электроны (частицы с наименьшей отрицательным электрическим зарядом), а в жидкостях – ионы (атомы или молекулы, содержащие электрический заряд). Значит, и в нерве происходит передвижение ионов. Кроме физического процесса передвижения ионов, в нерве идут и сложные химические превращения веществ.

Нерв не пассивный проводник тока, а живая ткань, в которой идет непрерывный обмен веществ.

Английский ученый Гилл установил, что при прохождении импульса по нервы в нем на миллионные доли градуса повышается температура. А это значит, что в нерве начинают более интенсивно идти процессы обмена веществ.

Таким образом, электрические явления представляют собой только одно из проявлений нервного процесса. Но дело не только в этом. Гальванический ток не распространяется на большие расстояния, а нервный импульс распространяется. Оказывается, когда волна возбуждения проходит по нерву, то в нем образуется подвижный гальванический элемент. А в любом гальваническом элементе есть два полюса: положительный и отрицательный. И в нерве есть два полюса: положительный (наружная часть нерва) и отрицательный (внутренняя часть нерва). Значит, в нерве ток идет не сплошным потоком, а отдельными порциями.

Движения импульса по нерву напоминает действие запального шнура. Продвижение пламени по шнуру разогревает последующие его участки и заставляет их вспыхивать; так и в нерве: один участок за другим подвергается электрическим и химическим воздействиям. Многочисленные нервные клетки и их волокна испытывают эти воздействия, обуславливающие биоэлектрическую активность нервной системы.

7. Скорость движения электрического тока. (Учитель физика)

Основываясь на идеях Фарадея, максвелл сумел теоретически доказать, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в прострaнcтве с конечной скоростью.

Максвелл нашел, что она равна скорости света в вакууме, т.е. 300 000 км/с.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем, создается только электрическими зарядами. Оно существует в прострaнcтве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз. Но попробуйте ответить на вопрос: “Что такое электрический заряд” (ответы учащихся) – вы убедились, что это не так просто. Дело в том, что понятие заряд – это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо простым, элементарным понятиям.

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряды элементарных частиц различаются знаками. Электрический заряд определяет силу взаимодействия тел или частиц, обладающих зарядом. Обозначается электрический заряд – q, единица измерения – кулон (Кл). Существует два вида электрических зарядов - положительные и отрицательные. Выбор названия этих зарядов был исторической случайностью. Заряд, который назвали положительным, с тем же успехом можно было назвать и отрицательным. Носителями зарядов могут быть элементарные частицы, атомы, молекулы, макроскопические тела.

Экспериментально было установлено, что существует минимальная величина электрического заряда. Минимальным электрическим зарядом обладает электрон – е.

е = 1,6 ^.10 ^-19Кл.

Суммарный заряд пропорционален величине минимального заряда.

Q = n е,

N – целое число.

8. Нервы. (Учитель биологии)

Пионерами в изучении нервных процессов были русские ученые И.М. Сеченов, Н.Е. Введенский, А.А Ухтомский, В.Я. Данилевский. С помощью самых простых приборов они делали замечательные открытия. Н.Е. Введенский использовал обычный телефонный аппарат для превращений электрических колебаний нерва в звуковые и таким способом “подслушивал” нервные процессы. (Вот почему на столе стоят телефонный аппарат и модель мозга человека). Только после изобретения осциллографа стало возможным улавливать разряды от отдельных клеток и даже от частей клетки. С помощью микроэлектродов исследователи проникли внутрь нервного волокна. Кроме того, изобретены многокaнaльные осциллографы, которые позволяют записывать сразу биотоки многих участков мозга и видеть всю картину распределения нервных импульсов. (Демонстрация осциллографа – учитель физики)

Закрепление знаний

Тексты для самостоятельной работы с последующим обсуждением.

V. Предварительная проверка понимания и усвоения нового материала

Решить задачи и ответить на вопросы.

1. Представьте себе реакцию человека, идущего по улице и жующего конфету, который неожиданно наткнулся на острый предмет. Он мгновенно отскочил в сторону и перестал жевать. Объясните: 1) какие два физиологических процесса произошли одновременно в нервной системе; 2) где возник импульс и по каким путям прошел?
2. Скорость проведения возбуждения по нервам млекопитающих и человека 100-122 м/с, лягушки -26 м/с, рыбы - 4-5 м/с. Объясните: 1) какое значение имеет скорость передачи возбуждения по нервам в жизни организма; 2) в каком направлении – ускорения или замедления – изменялась проводимость нервов в ходе эволюции животного мира.
3. Скорость протекания нервного импульса в человеческом организме равна 120м/с, а электрического тока 300 000 км/с. Во сколько раз электрический импульс быстрее протекает по электрическим проводам от одного города до другого. (Считать, что длина проводов равна длине отростков нервных клеток)

VI. Подведение итогов и выставление оценок

VII. Рефлексия

• С чем вы познакомились на данном уроке?
• Какими свойствами обладают все природные явления?
• Как вы оцениваете интегрированное преподнесение материала?

Приложение