Интегрированный урок биологии и физики Тема урока: Тип урока: Цель урока:

Интегрированный урок биологии и физики
Тема урока: Конденсатор. Клетка как конденсатор.
Тип урока: комбинированный
Цель урока:
Сформировать представление о связи физики и биологии на примере
изучения клеточной мембраны как части «биологического» конденсатора.
Цели урока физики:
образовательные:

дать понятия конденсатора и электроемкости;

определить виды, устройство и назначение конденсаторов;

провести параллель между конденсатором и биологической клеткой;
развивающие:

способствовать формированию умений объяснять физические явления
на основе знаний о конденсаторах, электроемкости;

способствовать формированию умений решать задачи на расчет
характеристик конденсатора;

развивать познавательный интерес к предметам;

создать условия для развития внимания, мышления, памяти, грамотной
речи, навыков самостоятельной работы;
воспитательные:

сформировать потребность в знании через показ взаимосвязи между
науками и жизнью.
Цели урока биологии:
образовательные:

сформировать представление о строении клеточной мембраны;

показать связь между строением мембраны, ее свойствами и
функциями;
развивающие:

способствовать пониманию природы возбуждения клеток нервной и
мышечной ткани, используя понятийный аппарат физики

создавать условия для развития внимания, мышления, памяти,
грамотной речи и самостоятельной работы;

развивать познавательный интерес к предмету;
воспитательные:

сформировать потребность в познании нового посредством
установления взаимосвязи между наукой и жизнью.
Оборудование: Конденсаторы постоянной и переменной емкости,
компьютер, проектор.
Ход урока:
1.
Организационный этап
Проверка готовности кабинета и учащихся к уроку. Выявление
отсутствующих. Объявление целей и задачей урока. (2 минуты)
2.
Этап актуализации опорных знаний:
Фронтальная беседа по вопросам:
1
Учитель биологии (5 минут):
1)
Ребята, какие органоиды клетки вам известны? (примерные ответы:
хромосомы, клеточная мембрана, митохондрии, комплекс Гольджи, ЭПР,
рибосомы, лизосомы, центриоли, ядро, клеточный центр. Учитель
записывает ответы на доске в 2 столбика).
2)
Почему я записала органоиды клетки в 2 столбика? (примерный ответ:
потому что одни из них мембранные, а другие – немембранные).
Демонстрация слайда 3 (см. презентацию).
Учитель физики (5 минут):
1)
Что такое электрический ток?
2)
Что такое ион?
3)
Что такое диэлектрик?
4)
Дайте определение напряжению. (слайд 4)
Примерные ответы учащихся:
1)
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.
2)
Атом, присоединивший или потерявший один или несколько
электронов, называют ионом.
3)
Вещества, через которые электрические заряды не могут переходить от
заряженного тела к незаряженному называют диэлектриками.
4)
Напряжение – физическая величина, равная отношению работы
электрического поля по перемещению заряда к величине этого заряда на
участке цепи.
3.
Этап изучения нового материала
Учитель биологии: (7 минут)
Все мембраны в клетках построены по единому принципу. Они имеют
общие свойства и структурные особенности. Толщина мембраны составляет
7-10 нм. Они представляют собой двойной слой жироподобных веществ –
бислой липидов, функция которых – поддержание механической
стабильности мембраны. Этот бислой не пропускает электрический ток. В
него погружены на различную глубину белки, некоторые из них
пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом как с наружной, так
и с внутренней средой клетки – трансмембранные белки. (слайд 5)
Мембранные белки могут выполнять различные функции:
1)
катализаторы химических реакций в клетке (белки-ферменты);
2)
получение и преобразование сигналов, полученных извне;
3)
транспорт определенных молекул. (слайд 6)
Большая часть белков и липидов способны перемещаться в плоскости
мембраны.
Свойства мембраны:
1)
мембраны – очень динамичные структуры, способные к
растяжению, сжатию при клеточных движениях; обладают текучестью;
2)
избирательная проницаемость – способность через белковые
каналы осуществлять избирательный перенос различных веществ (ионов,
питательных веществ, продуктов обмена). Существуют различные
2
механизмы переноса веществ: без затраты энергии (диффузия) и с затратой
(активный транспорт).
3)
Липидный бислой не пропускает электрический ток.
Основные функции мембраны:
1)
Барьерная функция. Отделяет клетки от окружающей среды.
Защита клеток от чужеродных, токсических веществ. Сохранение внутри
клеток определенных концентраций веществ, за счет ограничения
перемещения веществ.
2)
Механическая функция. Сохраняет клетку целой при умеренных
механических нагрузках; механическая стабильность;
3)
Роль рецепторов. Функция узнавания веществ и клеток,
получение и преобразование сигналов извне.
4)
Каталитическая функция. Катализатор для многих химических
процессов клетки, протекающих примембранно.
5)
Транспортная функция. Связана с важным свойством
биологических мембран – избирательной проницаемостью. (слайд 7)
Учитель физики: (7 минут)
Электрические заряды можно накапливать на проводниках. Одни
проводники могут накопить больше зарядов, другие – меньше. Способность
проводников накапливать определенное количество заряда характеризуют
физической величиной, именуемой электрическая емкость.
Конденсатор (от лат. Kondensator – уплотнять, сгущать) – это
устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии
электрического поля. (слайд 8)
Простейший плоский конденсатор состоит из двух металлических
пластин, между ними находится диэлектрик, воздух. Пластины называют
обкладками конденсатора. При зарядке конденсатора обе обкладки получают
заряды равные по модулю, но противоположные по знаку. Поэтому под
зарядом плоского конденсатора понимают модуль заряда одной из его
обкладок.
Учеными было установлено, что заряд конденсатора прямо
пропорционален напряжению между его обкладками:
q = CU,
следовательно, электрическая емкость плоского конденсатора:
q
C .
U
Единицей электроемкости в СИ является Фарад, [С] = 1 Ф.
Электроемкостью 1 Ф обладает такой конденсатор, напряжение между
обкладками которого равно 1 В при сообщении обкладкам разноименных
зарядов по 1 Кл. (слайд 9)
Емкость плоского конденсатора зависит от его геометрических
размеров:
 S
C 0 ,
d
3
где ε – диэлектрическая проницаемость (с ней мы познакомимся в старших
классах, для воздуха ε = 1), ε0 – диэлектрическая постоянная (можно найти в
любом справочнике по физике), S – площадь пластин, d – расстояние между
пластинами. (слайд 10)
Заряды могут удерживаться в конденсаторе под действием
электрического поля, создаваемого ими же, продолжительное время. Это
свойство конденсатора широко используется, например, для создания
запоминающих устройств – флешек. Их микросхемы содержат у себя
внутри несколько миллиардов крохотных конденсаторов. Приблизительно,
размеры этих конденсаторов вы можете определить самостоятельно,
приняв, что площадь микросхемы памяти - один квадратный сантиметр.
Если вспомнить строение клеточной мембраны, то обнаружим, что
мембраны являются диэлектриками и при этом окружены проводящими
жидкостями. Поэтому мембрана проявляет свойства конденсатора и имеет
определенную электрическую емкость. Исходя из этого, можно составить
«примерную» электрическую схему биологической ткани. Данную схему
называют физической моделью биологической ткани. (слайды 11 и 12)
C
Ri
Re
Рис.1
Примерная
электрическая
схема
биологической ткани.
(C  конденсатор, моделирующий мембраны
клеток ткани; Ri  резистор, моделирующий
цитоплазму этих клеток; Re  резистор,
моделирующий тканевую жидкость)
Изучая эту модель, ученые придумали много способов воздействовать
на ткани и органы человеческого организма электрическим током. Например,
в медицине электрический ток широко применяется в физиотерапии, как для
стимуляции, так и для нагрева (прогревание или разрезание) биологических
тканей.
Учащиеся делают краткий конспект.
4.
Этап проверки восприятия, осмысления и первичного
запоминания
Учитель биологии (5 минут):
Вопросы, на которые учащиеся дают устные ответы:
1.
Какие вещества входят в состав мембраны клетки?
2.
Перечислите функции липидов мембраны клетки.
3.
Перечислите функции белков мембраны клетки.
4.
Как вы понимаете избирательная проницаемость мембран?
5.
За счет чего образуется разность потенциалов на мембране?
1)
Работа с физической моделью биологической ткани. (3 минуты)
Учитель физики:
На экране представлена физическая модель биологической ткани и
источник тока. С учащимися организуется беседа по вопросам:
1.
В каком направлении будет течь ток в данной схеме?
4
2.
Будет ли течь ток через конденсатор?
3.
Если менять направление тока, будет ли конденсатор проводить
ток? Если да, то почему? (слайд 13)
Примерные ответы учащихся:
1.
От положительного полюса источника тока к отрицательному
через резистор Re.
2.
Нет. Конденсатор будет накапливать заряд.
3.
Если менять направление тока с определенной частотой
(постоянно), то обкладки конденсатора будут менять знак заряда с этой же
частотой, что будет соответствовать «прохождению электрического тока
через конденсатор».
2)
Решение задачи (4 минуты) (слайд 14)
Учитель физики:
Формулировка задачи: Ученые выяснили, что разность потенциалов на
внешней и внутренней стороне мембраны клетки составляет крохотную
величину, приблизительно 50 мВ.
Скажите на самом ли деле клетку можно рассматривать как
конденсатор?
А где пластины у этого конденсатора?
Будет ли влиять толщина мембраны на емкость такого конденсатора?
Определите (приблизительно) электрическую емкость клетки,
учитывая, что накопленный заряд клетки эквивалентен заряду 10 электронов.
Решение задачи: На интерактивной доске имеется заготовка для
решения. Учащимся предлагается заполнить имеющуюся заготовку и решить
задачу до конца. К доске вызывается один из желающих.
Примерные ответы и решение учащихся:
Да. Так как мембрана клетки является диэлектриком, а вокруг нее
находятся проводящие жидкости.
Эти проводящие жидкости и будут «пластинами» этого конденсатора.
Да. Если взять формулу для расчета емкости плоского конденсатора и
применить ее для расчета емкости клетки, то увидим, что чем толще будет
мембрана, тем меньше электрическая емкость клетки.
Дано:
СИ:
Решение:
U = 50 мВ
0,05 В
q 10  e
C


q = 10·е
U
U
е = 1,6·10-19 Кл
19
10 1,6 10 Кл
С–?
C
 3,2 10 17 Ф
0,05В
17
Ответ: C  3,2 10 Ф
(слайд 15)
5.
Домашнее задание (1 минута) (слайд 16)
1.
Выучить конспект урока.
2.
Подумать какие процессы в организме можно описать, используя
знания физики?
6.
Подведение итогов урока (1 минута)
5