Элементы биофизики при изучении теплоты и молекулярных явлений доклад

Обновлено: 07.07.2024

Одним из важнейших требований к школе является ориентация образования не только на усвоение учащимися определенной суммы знаний, но и на развитие его личности, познавательных способностей, успешной социализации в обществе и активной адаптации на рынке труда.

Реализация в предпрофильных классах элективных ориентированных курсов преследует своей целью подготовку учащегося к выбору направления дальнейшего образования.

Элективные курсы рассчитаны на небольшое количество часов, что позволяет школьникам в течение года попробовать себя в различных видах деятельности, в соответствии с профилями, предполагаемыми конкретной школой.

Курсы по выбору могут завершаться как экзаменационными испытаниями, так и защитой выполненного проектного или исследовательского задания.

В своей работе в предпрофильных классах за основу беру разработки элективных курсов – Н. И. Зорин “Методы решения задач”, “Элементы биофизики”, Б. Ф. Билимович “Световые явления вокруг нас” и другие (тема зависит от интересов и состава классов), – внося изменения и дополнения в тематику занятий.

Предлагаю вашему вниманию некоторые моменты своей работы по элективному курсу, в основе которого лежит разработка Н. И. Зорина “Элементы биофизики”.

Данный курс основан на знаниях и умениях, полученных учащимися при изучении физики и биологии в средней школе.

Цель курса: показать необходимость развития в процессе обучения физике способностей, позволяющих решать задачи и получать дополнительные сведения из смежных областей знаний. Достижение цели достигается средствами предметной интеграции, которые учитывают интересы и познавательные возможности учащихся, приводящими к развитию их творческих способностей, связанных с потребностью к самообразованию.

Основная задача курса: показать возможность межпредметной интеграции дух предметов естественнонаучного цикла – физики и биологии.

В работе по данному элективному курсу мне помогают методические разработки “Физика – биология, 7-9 классы” (Программа интегрированного курса, 7-9 классы. Планы уроков), разработанные учителями физики (Телегиной Н.М., Шель Н.В.) и учителями биологии (Байковой Т.Н., Опариной Ю.Н.) нашей школы (напечатаны в газете “Физика”, еженедельное приложение к газете “Первое сентября”, № 28, 30, 31 – Москва, 1999 г.)

Отбор биофизического материала осуществляется в трех направлениях: – показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму;

– познакомить учащихся с физическими методами воздействия и исследования, широко применяемыми в биологии и в медицине;
– ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики, биофизики.

ГОСТ

Молекулярная биофизика

Биофизика как наука требует молекулярного обоснования. Молекулярную биофизику можно назвать физикой белков и нуклеиновых кислот, поскольку эти биологические молекулы играют наиважнейшую роль во всех клеточных процессах. В настоящее время данная область биофизики считается наиболее развитой.

В молекулярной биофизике рассматривают специфические свойства и строение сложных молекул, которые определяют явления и процессы, происходящие в живой природе.

Молекулярная биофизика является основой исследования процессов жизнедеятельности клеток и систем всех уровней и их функций. От молекулы следует переходить к надмолекулярным системам, клеткам и организмам.

Молекулярную биофизику можно определить как область пересечения молекулярной физики, химии и молекулярной биологии.

Молекулы, которые исследует биофизика, существенно отличаются от молекул неживой природы. Самыми сложными из известных молекул на сегодняшний день являются белки. Белки и нуклеиновые кислоты – это динамические системы, поведение которых определяют положение и функционирование каждого структурного элемента этих макромолекул.

Задачи молекулярной биофизики

Основной задачей молекулярной биофизики считают изучение особенностей, которые определяют строение и свойства молекул в биологии.

Физическая теория, применяемая в молекулярной биофизике, это теория строения и физических свойств молекул в совокупности с теорией методов их экспериментального исследования.

К важнейшим задачам молекулярной биофизики относят исследование строения и физико- химических свойств биологически функциональных молекул. Данный раздел биофизики пытается описать физические механизмы, которые отвечают за биологическую активность молекул.

Под структурой молекулы понимают пространственное расположение всех ее атомов. В молекулярной биофизике структура молекулы описывается при помощи структурной химической формулы, длин всех связей и углов между связями, распределением зарядов на поверхности, величиной подвижности отдельных участков, изменчивостью структуры в зависимости от параметров, характеризующих внешнюю среду.

Готовые работы на аналогичную тему

Исследования структурной организации макромолекул очень важная задача. Вопросы, которые ставятся в молекулярной биофизике в связи с этой задачей:

Какова связь структуры молекулы и ее биологической функции?
Какие особенности структуры молекулы требуются для реализации определённой функции молекулы?
Каковы структурные изменения, происходящие в период функционирования биологических молекул?

Многообразие функций макромолекул в клетке в большой мере определено их пространственной организацией. Самой трудной задачей молекулярной биофизики, в этой связи, является определение физических основ, стабилизирующих молекулу. В результате стабилизации макромолекулы имеют наиболее компактную пространственную структуру, которая отличается тонкой организацией и большой спецификой. Биологическая активность молекулы чувствительна к изменениям в пространственной структуре.

Теоретический базис и методы молекулярной биофизики

Для изучения биологических макромолекул используют физические подходы и арсенал биофизических методов.

В молекулярной биофизике рассматривают свойства молекул, которые находятся в равновесии, следовательно, можно применять соответствующий физико- математический аппарат.

Основой для рассмотрения молекул в состоянии равновесия стали: равновесная термодинамика; статистическая механика; квантовая механика.

Для проведения эмпирических исследований в молекулярной биофизике используют широкий спектр физических методов исследования биологически функциональных молекул, например:

седиментацию в ультрацентрифуге, рассеяние света в веществе, рассеяние рентгеновских лучей растворами. Эти методы используют для получения информации о молекулярных массах, размерах и формах макромолекул;
методы исследования структуры молекул, которые основываются на взаимодействии света с веществом. При этом используют волны разной длины от рентгеновского излучения до радиоволн;
методы оптики и спектроскопии (рентгеноструктурный анализ, $γ$ – резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры;
спектрополямитрию;
методы калометрии, используемые для исследований превращений биологических макромолекул;
электронную микроскопию.

Практическое применение молекулярной биофизики

Успехи молекулярной биофизики дали возможность медицине рассматривать некоторые патологии на молекулярном уровне. Такой подход позволил найти скрытые молекулярные аномалии, которые находятся в основе ряда заболеваний. Например, гемоглобинопатия.

Установлено, что нарушение работы гемоглобина происходит при:

неправильном связывании гема аминокислотами, которые не дают образовываться координационным связям с железом конкурирующих с кислородом других лиганов (свободных аминокислот, воды, фосфата);
дефекте конформации полипептидных цепей;
нарушении $α_1 β_1-$ и $α_1 β_2$ – контактов между субъединицами, которое сопровождает изменение четвертичной структуры.

Замены аминокислот, которые ведут к жизни выше перечисленные нарушения Hb – это причины врождённых гемолитических анемий. На сегодняшний момент описано более 200 видов гемоглобина человека, которые имеют специфику в аминокислотных рядах.

Примером заболевания, которое вызвано нарушениями конформации полипептидной цепи, является серповидноклеточная анемия. При таком заболевании эритроциты обладают не круглой, а серпообразной или зазубренной формой, становятся жесткими. Молекулы объединяются, возникают квазикристаллические структуры, это объясняет аномальную форму и повышенную жесткость эритроцита. Видоизмененные клетки загораживают проход другим эритроцитам, которые тоже становятся серповидными, отдавая кислород. Происходит закупоривание мелких кровеносных сосудов. Понимание молекулярного механизма возникновения серповидноклеточной анемии дало возможность наметить пути лечения этого заболевания.

Введение 3
Глава I
Использование биофизического материала иа уроках физики 5
§ 1 Элементы биофизики при изучении механики 7
§ 2 Элементы биофизики при изучении колебаний и звука 39
§ 3 Элементы биофизики при изучении теплоты и молекулярных явлений 32
§ 4 Элементы биофизики при изучении электричества 64
§ 5 Элементы биофизики при изучении оптики и строения атома 75
§ 6 Организация повторения с привлечением биофизического материала 88

PEKЛAMA: 500 РАДИОСПЕКТАКЛЕЙ НА SD 64GB — ГДЕ.
BAШA ПОМОЩЬ ПРОЕКТУ: ЗАНЕСТИ КОПЕЕЧКУ — КУДА.

Глава I
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

§ 1. Элементы биофизики при изучении механики

Сила тяжести. Вес тела
При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита — /0000 кг, слона — 4000 кг, носорога — 2000 кг, быка — 1200 кг, медведя — 400 кг, свиньи — 200 кг, человека — 70 кг, волка — •10 кг, зайца — 6 кг. Найти их вес в ньютонах.
Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.
Можно попутно сообщить еще некоторые интересные сведения.
Самые крупные животные относятся к классу млекопитающих, из них особенно поражает размерами и весом синий кит. Например, один из добытых китов достигал в длину 33 м и весил 1500 кн, что соответствовало весу 30 слонов или 150 быков. Самая крупная современная птица — африканский страус, достигающий 2,75 м в высоту, 2 л в длину (от кончика клюва до конца хвоста) и имеющий массу 75 кг. Самые мелкие птицы — колибри. Колибри одного из видов имеют массу около 2 г, размах крыльев 3,5 см.
Силы трения и сопротивления.

Приспособления для изменения подъемной силы
Интересные сведения о строении тела акул и осетровых рыб могут быть сообщены в связи с изучением вопроса о подъемной силе крыла самолета. Известно, что при посадке самолета, когда его скорость и, следовательно, подъемная сила невелики, необходимы дополнительные приспособления для увеличения подъемной силы. Для этой цели служат специальные щитки —
закрылки, расположенные на нижней поверхности крыла, служащие для увеличения кривизны его профиля. При посадке они отгибаются вниз.
Костные рыбы (к которым относится подавляющее большинство современных рыб) регулируют величину своей средней плотности и, соответственно, глубину погружения с помощью плавательного пузыря. Хрящевые рыбы не имеют такого приспособления. Подъемная сила у них изменяется за счет изменения профиля, подобно самолетам, например, акулы (хрящевые рыбы) меняют подъемную силу с помощью грудных и брюшных плавников.

Аппарат искусственного кровообращения (АПК)
Заканчивая изучение механики, йолезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.
При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце.
Рис. 15.
Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца — они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенатор выполняет функции легких и обеспечивает насыщение крови кислородом.
Упрощенная схема аппарата показана на рисунке 15. Поршневые насосы 18 приводятся в действие электромотором 20 через регулятор 19\ последний устанавливает ритм и величину хода поршней насосов. Давление через наполненные маслом трубки передается насосам 4 и 9, которые с помощью резиновых диафрагм и клапанов создают необходимое разрежение в венозной части (насос 4) и сжатие в артериальной части (насос 9) физиологического блока аппарата. Физиологический блок состоит из циркуляционной системы, которая с помощью полиэтиленовых катетеров сообщается с крупными сосудами в месте выхода их из сердца и оксигенатором.
Кровь всасывается через воздушную ловушку 1, электромагнитный зажим 2, уравнительную камеру 3, выполняющую функции предсердия, и с помощью насоса 4 впрыскивается в верхнюю камеру 5 оксигенатора. Здесь кровь равномерно распределяется по столбу кровяной пены, заполняющей его среднюю камеру 6. Она представляет собой цилиндр из капроновой сетки, в дне которой расположен распределитель кислорода 7. Кислород равномерно через 30 отверстий поступает в камеру через образующийся на дне камеры слой воздуха. Общая поверхность пузырьков в пенном столбе равняется примерно 5000 см2 (при объеме крови 150 — 250 см3). В оксигенаторе кровь насыщается кислородом, отдает в окружающую атмосферу углекислоту и стекает в нижнюю камеру 8, откуда через насос 9, зажим 10 и воздушную ловушку 11 поступает в артериальную систему организма. Кислород поступает в оксигенатор через счетчик газа 17 и увлажнитель 16. В верхней части оксигенатора расположены пеногаситель 12 и отверстие для выхода газа. С оксигенатором через зажим 14 сообщается сосуд 15 с запасной кровью или кровезаменяющей жидкостью. Поступление крови из оксигенатора регулируется поплавком 13, связанным индуктивно с находящейся снаружи катушкой, которая управляет включением электромагнитных зажимов прибора.

Вопросы и задачи

При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.
Рассмотрим решение нескольких задач, предлагавшихся нами учащимся.

Программа основана на знаниях и умениях, полученных учащимися при изучении физики и биологии в основной школе и рассчитана на 102 часа.

Описание разработки

Пояснительная записка

Программа основана на знаниях и умениях, полученных учащимися при изучении физики и биологии в основной школе и рассчитана на 102 часа

Цель программы:

на учебном материале, выходящим за рамки программы основной школы по физике и биологии, вооружить учащихся дополнительными знаниями о единстве и взаимосвязи физико - биологической картины мира;

формирование интереса школьников к исследовательской деятельности;

ориентация учащихся на естественно - научный профиль обучения в старшей школе.

Новизна программы — практическая реализация новых направлений в науке, которые возникли как результат тесного взаимодействия физики и биологии, практическое использование экспериментальных заданий, различных видов задач, для решения которых необходимы знания этих двух наук.

Задачи программы, ее актуальность:

расширение и углубление знаний учащихся по физике и биологии в части использования законов физики для объяснения явлений, наблюдающихся в биосфере;

развитие мыслительных и исследовательских навыков у учащихся: умение наблюдать, анализировать результаты наблюдений, устанавливать причинно - следственные связи, выдвигать предположения, формировать гипотезы, обосновывая их и проверяя практикой, формировать интерес к познанию окружающего мира;

развитие интеллектуальных и творческих способностей школьников в процессе самостоятельного приобретения знаний по физике и биологии с использованием различных источников;

воспитание навыков сотрудничества в процессе совместной работы.

Общими принципами отбора содержания учебного материала курса являются: научность, доступность, прослеживание межпредметных связей, практическая направленность.

Основные направления изложения биофизического материала

Первое направление имеет цель - показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму.

Второе направление соответствует ознакомлению с физическими методами воздействия и исследования, широко применяемыми и в биологии, и в медицине.

Третье направление предполагает ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики.

Основными видами деятельности учащихся на занятиях являются:

групповая, проектно - исследовательская работа;

самостоятельная работа с источниками информации, где приоритетная роль отводится умению проводить поиск информации в источнике, высказывать суждение об их ценности, выделять факты, давать сравнительную характеристику:

выполнение практических и лабораторных работ;

В процессе обучения учащиеся приобретают следующие умения:

- наблюдать и изучать явления, происходящие в живой природе,

- описывать результаты наблюдений,

- обсуждать результаты эксперимента и участвовать в дискуссии,

- умение работать с источником информации,

- определять физические характеристики человека и животных,

- определять факторы, отрицательно влияющие на живую природу,

- организовать свою жизнь с учетом сложившихся объективных экологических условий, устранять нежелательные факторы или снижать их воздействие, сводить к минимуму их вредное влияние на человеческий организм.

- отбирать и изготавливать необходимые приборы, выполнять измерения

Критерий успешности

Ученик получает зачет при условии выполнения обязательной работы, предоставленной в установленный срок в предложенной учителем форме с соблюдением стандартных требований к ее оформлению. Инициативно и качественно выполняет задания помимо обязательных, активно участвует в дискуссиях. Завершается изучение курса презентацией работы и физико - биологическим турниром

Данная рабочая программа ориентирована на учащихся 9 класса и реализуется на основе следующих документов:

Элективный курс предназначен для учащихся 9 классов общеобразовательных учреждений. Курс основан на знаниях и умениях, полученных учащимися при изучении физики и биологии в средней школе. Данный курс рассчитан на 35 ч. из расчета 1 ч. в неделю.

Основная цель курса — показать необходимость развития в процессе обучения физике способностей, позволяющих решать задачи и получать дополнительные сведения из смежных областей знания. Это достигается средствами предметной интеграции, учитывающими интересы и познавательные возможности учащихся, приводящими к развитию их творческих способностей, связанных с потребностью к самообразованию.

Основная задача курса — показать возможность межпредметной интеграции двух предметов естественнонаучного цикла (физики и биологии). В практической реализации знаний (новые направления в науке, которые возникли как результат тесного взаимодействия физики и биологии), в теоретическом изучении (явления природы, которые объясняют и физики, и биологи) и практическом использовании (экспериментальные задания, различные виды задач, для решения которых необходимы знания этих двух наук).

Объект исследования — процесс развития познавательность интереса при наблюдении биологических явлений и их физическое объяснение.

Предмет исследования — содержательные приемы формирования познавательного интереса к изучению биофизических процессов происходящих в природе.

Содержание элективного курса базируется на материал курса физики, изучаемого в основной школе, в соответствии с программой общего образования по физике.

Для отбора биофизического материала можно указать три основных направления.

Первое направление имеет цель – показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму.

Второе направление соответствует ознакомлению с физическими методами воздействия и исследования, широко применимыми и в биологи, и в медицине.

Третье направление предлагает ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики.

Элементы биофизики при изучении механики (6 ч)

Движение и силы. Масса тел. Плотность. Сила тяжести. Вес тела. Сила трения и сопротивления. Трение в живых организмах. Давление жидкостей и газов. Архимедова сила. Законы Ньютона. Простые механизмы в живой природе. Деформации. Мощности, развиваемые человеком.

Элементы биофизики при изучении колебаний и звука (б ч)

Элементы биофизики при изучении теплоты и молекулярных явлений (б ч)

Первоначальные сведения о строении вещества. Процессы диффузии в живой природе. Капиллярные явления. Смачиваемость. Теплоизоляция в жизни животного мира. Пчелиный умей с точки зрения теплотехники. Почему мы краснеем в жару, а в холод бледнеем и дрожим? Роль процессов испарения пня животных организмов. Испарения в жизни растений. За кои сохранения и превращения энергии.

Элементы биофизики при изучении электричества (6 ч)

Электрические свойства тканей организма. Поражение деревьев молнией. Биопотенциалы и их регистрация. Биоточный манипулятор. Применение статического электричества. Применение постоянного тока с лечебной целью. Применение высокочастотных колебаний с лечебной целью. Микроволновая терапия. Радиотелеметрия. Новый источник электроэнергии. Электрические рыбы.

Элементы биофизики при изучении оптики и строения атома (б ч)

Глаза различных представителей животного мира. Глаз человека. Светочувствительность глаза. Как пчелы различают цвета. Холодное свечение в природе. Интерференция в живой природе. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Применение спектрального и рентгеноструктурного анализа к изучению строения гемоглобина. Оптические приборы в медицине. Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Биологическое действие и онизирующих излучений.

Обобщающая конференция (4 ч)

Читайте также: