Методическая разработка урока по естествознанию: Бионика

Департамент образования города Москвы
ГБПОУ «МИПК им.И.Фёдорова»
Методическая разработка интегрированного урока "Физика в живой природе (Бионика)"
(физика+биология)
Преподаватель физики: Попова И.В.
Преподаватель биологии: Черкасова Т.Ф.
2014г
ТЕМА: «БИОНИКА»
Интегрированный урок физика+биология
Эпиграф к уроку: В природе нет ничего случайного,
а если нам что-то кажется случайным,
то это лишь результат нашего неполного знания.
А. Эйнштейн
Цели урока:
Образовательные: показать взаимосвязь физики и биологии, на основе общности ряда законов живой и неживой природы; углубить представления о единстве материального мира.
Развивающие: активизировать мышление учащихся; умение самостоятельно формулировать выводы; сообщение интересных сведений и развитие мотивации к изучению предметов естественнонаучного цикла (физики и биологии).
Воспитательные: способствовать укреплению коммуникативной культуры; стимулировать развитие познавательного интереса.
Оборудование: компьютер, видеопроектор, экран.
Ход урока:
Людей всегда интересовало, можно ли, например, научиться летать, как птицы, или плавать под водой, как рыбы? Сначала человек только мечтал об этом: он придумывал сказки о волшебном ковре-самолете, о подводных царствах, где могут жить люди. С незапамятных времен люди пытались подражать природе, копировать внешний вид различных организмов при создании машин и устройств. Сегодня мы поговорим о молодой науке –бионике. По ходу нашего урока вы будете находить ответы на поставленные вопросы и записывать их в таблицу.
Работа с презентацией
Слайд № 2 “БИОлогия” и “техНИКА” - БИОНИКА - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы.
Слайд № 3 У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.
Слайд № 4, № 5 Родителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы.
Слайд № 6 13 сентября 1960 года в американском городе Дайтоне состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил появление новой науки. Эта дата стала днем рождения бионики. Учёные избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Слайд № 7 Образцом новых плавательных костюмов от Speedo стала кожа акулы, которая в ходе эволюции стала состоять из особых рифлёных чешуек. Благодаря им акулья кожа стала такой гладкой, что рыба весом почти в тонну свободно скользит в воде, почти не встречая сопротивления среды. В соответствии с этим образцом плавательные костюмы были оснащены тысячами искусственных чешуек. Спортсмены, надевавшие их, проплывали 100-метровку в среднем на 1,5 секунды быстрее, чем их настолько же сильные конкуренты в обычных костюмах.
Слайд№ 8 Корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. - Mercedes-Benz Bionic 2005 года Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.
Слайд № 9, № 10 Многие дизайнеры одежды и сопутствующих аксессуаров в разные времена «подсматривали» у природы фасоны и формы. Современный мир не исключение.
Слайд № 11 Яркий пример архитектурно-строительной бионики — Оперный театр в Сиднее, созданный по проекту Йорна Утцтона, благодаря его величественной архитектуре, выполненной в виде морских раковин или изогнутого крыла птицы, стал одним из самых узнаваемых зданий планеты. Или стадион Птичье гнездо в Пекине…
Слайд № 12 Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица.
Слайд №13 Медузы. Многие растения и животные обладают способностью «чувствовать» некоторые явления природы и её воздействие, которые человек даже не замечает. Так, задолго до начала шторма медузы спешат укрыться в безопасном месте. Оказывается, сигналом к этому служат инфразвуки частотой 3-13 Гц, возникающие от трения волн о воздух. Интенсивные инфразвуковые колебания, образующиеся над поверхностью моря при сильном ветре в результате вихревых процессов у гребней волн, распространяются быстрее штормового фронта. Медузы воспринимают эти колебания. В результате изучения данного явления был сконструирован прибор, позволяющий определить направление шторма и силу задолго до его начала (примерно за 20 часов).
Слайд №14 Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в полной темноте. Лишь в наше время было установлено, что летучие мыши могут издавать и улавливать ультразвуки. Беспрерывно испуская в полёте ультразвуки и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство. Моделирование локаторов по живым организмам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем.
Игровая часть урока
ЗАДАНИЕ-КОНКУРС
Сейчас каждый из вас сможет стать строителем. При помощи 2-х листов бумаги, ножниц скотча или клея построить конструкцию, которая удержит 6 книг и не развалится.(Группа делится на 3 команды, команда выполнившая задание первыми – победитель)
…МОЛОДЦЫ, Победили,,,,,, Действительно цилиндрические конструкции самые прочные, это доказывает сама природа (стволы деревьев, стебли растений и т.п.), а теперь наши команды будут соревноваться дальше
Для достижения цели нашего урока предлагаем поиграть в «Свою игру»
ВО ВРЕМЯ ПОДСЧЕТОВ РЕЗУЛЬТАТОВ ИГРЫ - РЕЛАКСАЦИЯ
Задание. Найти природный аналог предложенным техническим средствам, и объединить их в логические пары с помощью стрелок
Давайте познакомимся с некоторыми техническими изобретениями человека и попробуем на основе своих личных знаний и жизненного опыта, путём логического размышления найти им аналог среди живой природы.
Самолёт
цепкие лапы птицы
Радар
птица
Реактивное движение ракеты
клюв веретенника
Ковш погрузчика
кальмар
Пинцет
термитник
Кондиционер
летучая мышь
Паук-серебрянка Батискаф
Проверка  задания (ответы):
Реактивное движение ракеты – кальмар (реактивный способ передвижения широко распространён в природе). Реактивно передвигаются и кальмары. Они всасывают воду в специальную камеру, а затем с силой выталкивают её за счёт сокращения мышц, продвигаясь при этом вперёд. (В ракете используется сила выталкивающих газов.)
Кондиционер – термитник (Термиты же с давних пор охлаждают свои жилища с помощью особой конструкции своих гнезд). Принцип строения их жилища положен в основу конструкции кондиционера, который применяют для охлаждения помещения.
Самолёт – птица (Многолетние изучения крыльев птицы помогли при конструировании крыла самолёта).
Радар – летучая мышь (Радар работает по принципу улавливания отражающего звука). В живой природе подобной способностью обладают многие животные, в том числе и летучие мыши, которые с помощью эхолокации даже в полной темноте беспрепятственно преодолевают препятствия.
Пинцет – клюв веретенника. (Прототипом пинцета служит клюв веретенника). С помощью клюва птица легко вытаскивает из мягкой почвы любую добычу.
Ковш погрузчика – цепкие лапы птицы. (Цепкие, мощные лапы хищной птицы обеспечивают прочное захватывание добычи). Именно этот принцип положен в основу функционирования ковша погрузчика.
«Секреты бионики» Паук – серебрянка живет под водой внутри наполненного воздухом образования из паутины. Для того, чтобы обеспечить себя достаточным количеством воздуха, паук постоянно должен вносить в свою сеть воздушные пузыри. Для этого он плывет к поверхности. Когда же он опять ныряет в воду, на его длинных волосках повисает большой пузырь. Входит в свой дом он всегда из под низу. Вопрос: Назовите изобретение, которое человек создал на основе конструкции паука. (ответ – водный колокол или батискаф).
По окончании игровой части – подсчет результатов и объявление команды – победителя.
Подведение итогов урока – заполнение таблицы .
Биомеханические модели
За миллиарды лет эволюции природа создала организмы, обладающие специальными устройствами для передвижения по самым разнообразным поверхностям. Так, конечности мух и черных морских ежей имеют вакуумные присоски, благодаря которым ежи, например, взбираются по совершенно отвесным скалам, а мухи ползают по совершенно гладкому стеклу или потолку. Пауков природа наделила чудесным гидроприводом, жидкостью для которого служит кровь животного – лапки пауков лишены мышц. Когда паук вытягивает лапки, давление крови в них повышается до такой степени, что отвердевают даже щетинки. То повышая, то понижая в лапках давление крови, пауки приводят их в движение. Гидравлическая система паука действует мгновенно, давление крови регулируется автоматически. Это дает возможность паукам очень быстро бегать на своих длинных ногах даже по пересеченной местности. В основе движения обитателей сыпучих грунтов лежит принцип вибрации. Вибрация может быть различной частоты и интенсивности (амплитуды), и в зависимости от этого частицы грунта под телом животного либо уплотняются, либо раздвигаются. Этот принцип используют многие обитатели песчаных пустынь, например ящерицы круглоголовки, которые при опасности погружаются в песок, «тонут», а спустя некоторое время «всплывают». Своеобразен способ передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Чтобы не проваливаться при ходьбе, пингвины ложатся на живот и, отталкиваясь крыльями и лапами от снега, скользят по нему со скоростью до 25 км/ч .
Специалисты по бионике уже давно исследуют конструктивные особенности оригинальных «живых движителей» и «живые модели», отличающиеся высокой проходимостью, маневренностью, надежностью и экономичностью. На их основе разрабатываются проекты вездеходных, прыгающих, ползающих и других универсальных средств передвижения. Принцип вакуумной присоски используется в подъемных кранах, стоящих на прижатой к земле стальной чаше, из-под которой откачан воздух. В основе движения шагающего экскаватора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод паука. Создана снегоходная машина «Пингвин», развивающая скорость по рыхлому снегу до 50 км/ч
Полеты насекомых
Одно из изумительных творений природы – летательный аппарат насекомых. Скорость полета насекомых по сравнению с современными самолетами невелика – быстрее всех, со скоростью до 144 км/ч, летает стрекоза-дозорщик. Однако относительная скорость, т.е. скорость, отнесенная к длине летящего устройства, у насекомых намного больше, чем у самолета, а относительный (на единицу массы) расход горючего – значительно меньше.Особенно удивительна маневренность полета насекомых. Бабочка языкан на лету останавливается перед цветком, чтобы собрать нектар. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх н вниз. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе, ни в современной авиационной технике.При высоких скоростях полета возникает особое явление – сильная вибрация крыла, или флаттер, которая может привести к его разрушению. С этим явлением более полувека назад столкнулись авиаконструкторы, когда скоростные самолеты стали рассыпаться в воздухе. На борьбу с флаттером ушло много сил и времени. В конце концов решение было найдено. Как выяснилось много позже, оно давно использовалось быстролетающими насекомыми, у которых на конце крыльев имеются хитиновые утолщении (птеростигмы), предотвращающие флаттер.Маленькое чудо природы – водяной клоп-гладыш. Спинка у него выпуклая с острым килем посередине, а брюшко плоское, поэтому плавает гладыш на спинке, брюшком вверх. Когда же надо взлететь, клоп переворачивается и взмывает в воздух прямо с воды. С точки зрения техники, гладыш – это лодка, способная при необходимости выдвигать крылья и превращаться в самолет. Полет насекомых – процесс сложный и во многом еще не изученный. Когда удается раскрыть его секреты, конструкторы стремятся использовать их в своей работе. Так, например, был разгадан секрет жужжалец – недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у мух и некоторых других насекомых. Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат насекомому датчиками отклонений от положения равновесия. На том же принципе был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для обнаружения углового отклонения и обеспечения стабилизации полета.Но идея создания летательного аппарата, имитирующего полет насекомых, зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня бионики.
Конусообразные конструкции
В живой природе форма и функция тесно взаимосвязаны. Механические свойства тканей организмов связаны с интенсивностью их роста и зависят от многих внешних факторов. Для опорных элементов конструкций, например стволов и стеблей растений, характерно распределение строительного материала по линиям максимальных напряжений. На эти элементы приходится значительная часть массы организма. Одной из типичных форм опорного элемента является конус. Конусообразные формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, раковин и пр.В природе встречаются конусообразные формы двух типов. Первый тип предназначен для обеспечения устойчивости. Ему соответствует статичный конус, или конус гpавитации (конус основанием вниз). Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Ее легко увидеть в форме кроны или ствола ели, шляпки или ножки белого гриба, сморчка обыкновенного, гриба зонтика. Второй тип соответствует началу развития и выражается в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх). Примерами конуса роста являются гриб бокальчик, гриб лисичка, слоевища некоторых видов лишайника кладонии. В природе обычно встречаются не чистые типы конусов, а сочетание двух типов. Комбинации одинаковых или разных по типу конусов дают начало различным формообразованиям. Примером могут служить кроны многих деревьев, которые в нижней части имеют форму конуса роста, а заканчиваются конусом гравитационным (рис. 7).
Архитекторы, проектируя различные объекты, нередко используют конусовидные конструкции. Так, в форме Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. Конус роста лежит в основе строения водонапорной башни в Алжире. Ярким примером сочетания двух конусов является конструкция водонапорной башни известного русского архитектора В.Шухова (1896).
Гидродинамика живых систем
Конструируя плавающие организмы, природа наделила их такими приспособлениями, которые обеспечивают наиболее эффективное преодоление сопротивления водной среды и максимально экономичное и быстрое движение.Рекордсменом по скоростному плаванию среди рыб является рыба-меч, скорость которой достигает 140 км/ч. Преодолевать сопротивление воды этим рыбам помогает их форма тела – сжатая с боков, она напоминает профиль крыла самолета. Важную роль при движении играют большой хвостовой плавник серпообразной формы, длинный меч – видоизмененная верхняя челюсть рыбы, а также жабры. Изменяя положение жаберных крышек и меняя количество воды, проходящей через жабры, рыба-меч управляет состоянием пограничного слоя воды, влияющим на скорость плавания. Есть у этой рыбы и другие секреты, многие из которых еще не раскрыты. Быстрым и продолжительным плаванием отличаются морские стайеры – тунцы, проплывающие с высокой скоростью расстояния до 9 тыс. км. Форма тела тунца, его гладкая, эластичная поверхность с обильным выделением слизи и некоторые другие приспособления предотвращают появление вихревых потоков и обеспечивают высокую скорость и экономичность его движения в воде.Искуснейшими пловцами являются дельфины. Высокая скорость перемещения дельфина в воде обусловлена активной ролью наружных покровов в формировании обтекающих его тело потоков: небольшие изменения формы поверхности позволяют гасить турбулентные потоки. На больших скоростях начинается волновое движение кожного покрова, которое также гасит вихри и обеспечивают быстрое плавание. К числу отличных пловцов принадлежат и головоногие моллюски кальмары. Кальмары обладают высокоэфективным реактивным движителем: засасывая большое количество воды, они затем выбрасывают водную струю через узкую воронку. Меняя угол установки воронки, кальмары могут плыть как вперед, так и назад. Развивая скорость более 60 км/ч, эти живые ракеты нередко выскакивают из воды на высоту до 7 м, пролетая над волнами более 50 м. Они производят стремительные повороты и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях. Мягкое, но упругое, покрытое слизью тело кальмара способно существенно деформироваться. Кроме того, во время движения оно приобретает очертания, похожие на профиль самолетного крыла. Длинные щупальца моллюска, снабженные килями, во время движения вытянуты и плотно сложены – они стабилизируют направление движения и помогают сохранять или изменять курс. Раскрывая и изучая гидродинамические секреты природы, ученые используют их на практике: изменяют форму подводных лодок, покрывают корпуса судов искусственной «дельфиньей кожей» (ломинфло).
На всякий случай на оставшееся времяВ заключение учащимся предлагается «создать» биоробот – искусственное существо, наделенное комплексом самых совершенных органов чувств животных.Уши летучей мыши, нос собаки, глаза пчелы и орла, усик (антенна) бабочки и другие высокочувствительные сенсорные системы позволят этому существу различать звуки, запахи, световые лучи, лежащие за пределами восприятия органов чувств человека. Фантазия? Пока да. Однако если специалисты-бионики вооружат нас новыми приборами – искусственными органами чувств, созданными на основе предельно совершенных природных конструкций, мир наших ощущений станет неизмеримо шире.
Тема: Бионика Что изучает бионика?
Что представляет собой символ бионики? Что он означает?
Какая основная задача
бионики?
С какими науками связана бионика?
Какие практические результаты дала бионика, моделируя живые локаторы?
Ф.И.О. __________________________________________________
Группа__________________________________________________
Дата____________________________________________________
Оценка__________________________________________________
Литература:
Доктор Карл Шукер. Удивительные способности животных. О. В.. Иванова, И. Г. Лебедев, перевод на русский язык, 2000. ООО “ТД Изд-во Мир книги”, 2006.
Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович. Бионика в школе. Киев: 1990.
Ю.Г.Симвков. Живие приборы. М.: 1986.
И.И.Гармаш. Тайны бионики. Киев: 1985.
Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М.: 1967.
Мартека В., Бионика, пер. с англ., М.: 1967.
Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М.: 1968.