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”.

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.

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

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 м 3 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.

Рассмотрим пример окисления обычного сахара (сахарозы):

Это уравнение показывает, что химические соединения содержат большой запас энергии. Можно рассчитать тепловой эффект реакции. Сколько литров воды комнатной температуры (t1 = 20 o C) можно довести до кипения (t2 = 100 о С) 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).

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)