"Физика и птицы" (Cулейманова Р.Ш.)
Учитель МБОУ СОШ № 7
г. Туймазы РБ
Сулейманова Рауза Шайдуллиновна
Физика и птицы
(Вечер вопросов и ответов)
Цели и задачи:
- показать учащимся «приложимость» законов физики к жизнедеятельности птиц;
- развитие и воспитание экологической культуры;
- привлечение внимания учащихся к миру пернатых и проблемам охраны природы.
Оформление зала:
1) Плакаты.
а) Физика не только может, но и должна глубоко вторгаться в биологию как своими средствами исследования, так и свойственными ей теоретическими представлениями.
Академик Л.А. Арцимович
б) Невозможно сейчас изучать вопросы организации живой природы, не зная её физико-химических основ.
Академик М.В. Келдыш
в) Задача сохранения животных и птиц требует их понимания.
Н. Тинберген
г) Дерево, трава и птица
Не всегда умеют защититься.
Если будут уничтожены они,
На планете мы останемся одни.
2)Выставка детских рисунков.
Оборудование: проектор, DVD-проигрыватель, экран, жетоны в форме птиц, рисунки, плакаты, электростатическая машина, бумажный султан, доска, мел.
Ход мероприятия.
Вступительное слово учителя:
Изучение природных явлений имеет огромную познавательную ценность. Природа – гигантская физическая лаборатория – наглядно демонстрируют единство физической картины мира, взаимосвязь природных явлений.
Изучение физики природных явлений позволяет успешно решать различные технические проблемы. Человек издавна учился у природы. В наше время человек, вооруженный комплексом современных научных знаний и прекрасными измерительными приборами и устройствами, в состоянии заглянуть в самые сокровенные «тайники» природы, способен многому у неё научиться.
Не надо забывать, что понимание процессов, происходящих в природе, является залогом бережного отношения к природе, что особенно важно в наше время, когда вооруженный мощной техникой человек в состоянии не только искалечить, но и вообще погубить земную природу.
Постигая физику явлений природы, мы объединяем эмоциональное восприятие с рациональным. В результате мы учимся видеть красоту в физике и более глубоко чувствовать прекрасное.
Сегодня мы поговорим о птицах. Возможно, многие удивились, услышав тему разговора. Ведь вечер не биологический, а физический. В ходе вечера вы убедитесь в том, что понятия «физика» и «птица» тесно взаимосвязаны – с одной стороны, процессы в организме птицы, поведение птиц объясняются законами физики, а с другой – птицы помогают человеку решать научно-технические вопросы.
Вечер состоит из пяти разделов. Правильность ваших ответов буду определять я, а количество правильных ответов подсчитает счетная комиссия (представляется комиссия; она составлена из числа старшеклассников). За правильный ответ вы получите жетон, в конце вечера определим победителя по количеству жетонов.
I. Физика птицы.
1. Как объяснить тот факт, что водоплавающие птицы мало погружаются в воду? Каким законом физики описывается это явление? (Приложение № 1, приложения проецируются на экран)
Ответ. Это проявление закона Архимеда. Выталкивающее действие жидкости (величина силы Архимеда) зависит от объема тела – чем больше объем тела, тем больше выталкивающая сила. У водоплавающих птиц имеется толстый, не пропускающий воды слой перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха. Благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему всё тело птицы, её объем увеличивается, а средняя плотность оказывается очень малой.
2. Водоплавающие птицы из воды выходят практически сухими. Как объясняется это явление? Вспомните поговорку по этому поводу.
Ответ. Поговорка «Как с гуся вода». Это явление несмачиваемости. Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез. Молекулы жира и воды не взаимодействуют, поэтому жирная поверхность остается сухой.
3. Почему утки и гуси ходят, переваливаясь с ноги на ногу? (Приложение № 2)
Ответ. У гусей и уток лапы расставлены широко, поэтому, чтобы сохранить равновесие при ходьбе, им приходится переваливать тело так, чтобы вертикальная линия, проходящая через центр тяжести, проходила через точку опоры, то есть лапу.
4. Почему мы не воспринимаем как звук те колебания воздуха, которые создаются крыльями пролетающей птицы?
Ответ. Частота колебания, создаваемая крыльями птицы, ниже нашего порога слышимости, поэтому полёт птицы как звук мы не воспринимаем.
5. Почему птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение животных? Почему сокол может видеть на громадном расстоянии? (Приложение № 3)
Ответ. В любом глазу есть фокусирующий аппарат (хрусталик) и аппарат светоизоляции. У птиц глазное яблоко очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы. Глаз сокола устроен таким образом, что хрусталик может стать почти плоским, вследствие этого изображение отдаленных предметов падает на сетчатку.
6. Почему утки и другие водоплавающие птицы могут долгое время находиться в холодной воде и при этом не переохлаждаются?
Ответ. Грудь и брюшко, т.е. части тела, которые бывают погружены в воду, одеты у утки густым пухом, который сверху плотно прикрыт перьями, защищающими пух от воды.
Пух обладает низкой теплопроводностью и не смачивается водой.
7. В сильный мороз птицы чаще замерзают на лету, чем сидя на месте. Чем это можно объяснить?
Ответ. При полете оперение птицы сжато и содержит мало воздуха, а вследствие быстрого движения в холодном воздухе происходит усиленная отдача тепла в окружающее пространство. Эта потеря тепла бывает настолько большой, что птица на лету замерзает.
8.Как объяснить разнообразие звуков, издаваемых птицами? (Приложение № 4)
Ответ. Голосовые аппараты птиц и человека принадлежат к типу духовых «музыкальных» инструментов, звук в них образуется за счет движения воздуха, выдыхаемого из легких. У птиц имеется не одна гортань, а целых две: верхняя, как у всех млекопитающих, и нижняя. Причем главная роль в образовании звуков принадлежит нижней гортани, устроенной очень сложно и разнообразно у разных видов птиц. Она имеет не один вибратор, или источник звука, как у человека, а два или даже четыре, работающих независимо друг от друга. Образование второй гортани дало возможность использовать трахею в качестве сильнейшего резонатора. Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может в значительной степени изменять форму сложной системы резонаторов и, таким образом, управлять звуковысотными и тембральными свойствами своего голоса. Разнообразие в строении голосового аппарата соответствует и разнообразию звуков, издаваемых птицами. – от низких басовых криков (гуси, утки, вороны), до высочайших мелодичных свистов у певчих птиц. Для образования звуков многие птицы используют и другие «музыкальные инструменты»: клюв, лапы, крылья и даже хвост. Дятел – превосходный «барабанщик», использует в качестве барабана хорошо звучащее сухое дерево или резонирующий сук.
II. Птицы знают законы физики.
1. Почему куропатка, рябчик, тетерев ночуют в снегу?
Ответ. Эти птицы хорошо «знают» законы молекулярной физики. Снег обладает низкой теплопроводностью, поэтому служит своеобразным одеялом для птиц. Тепло, вырабатываемое телом птицы, не уходит в окружающее пространство.
2. Почему белая куропатка резко меняет цвет оперения весной? (Приложение № 5)
Ответ. Куропатка «знает» законы оптики. Тела приобретают тот цвет, какую компоненту белого света отражает вещество данного тела. Это определяется свойствами атомов и молекул. Меняя цвет оперения, куропатка «сливается» с окружающей средой и создает для себя безопасные условия.
3. Почему утки и гуси при плавании то распрямляют перепонки на лапках, то сдвигают пальцы?
Ответ. Утки и гуси используют перепонки на лапках как весла, т.е. они «знают» изменение сопротивления при движении в разных направлениях.
При движении лапок назад утка распрямленной перепонкой загребает воду, а при движении вперед сдвигает пальцы – сопротивление уменьшается, в результате чего утка продвигается вперед.
4. Как известно, некоторые птицы во время далеких перелетов размещаются цепочкой или косяком. В чем причина такого расположения? (Приложение № 6)
Ответ. Перелетные птицы «знают» зависимость сопротивления от формы тела и «умеют» пользоваться явлением резонанса. Наиболее сильная птица летит впереди. Воздух обтекает её тело так, как вода нос и киль корабля. Этим обтеканием объясняется острый угол косяка. В пределах данного угла птицы легко продвигаются вперед. Они инстинктивно угадывает минимум сопротивления и чувствуют, находится ли каждая из них в правильном положении относительно ведущей птицы. Расположение птиц цепочкой, кроме того, объясняется еще одной важной причиной. Взмахи крыльев передней птицы создают воздушную волну, которая переносит некоторую энергию и облегчает движение крыльев наиболее слабых птиц, летящих обычно сзади. Таким образом, птицы, летящие косяком или цепочкой, связаны между собой воздушной волной и работа их крыльев совершается в резонанс. Это подтверждается тем фактом, что если воображаемой линией соединить концы крыльев птиц в определенный момент времени, то получится синусоида.
5. Некоторые крупные морские птицы часто «сопровождают» суда, преследуя их часами, а то и сутками. При этом обращает на себя внимание тот факт, что эти птицы преодолевают путь совместно с теплоходом с малой затратой энергии, летя большей частью с неподвижными крыльями. За счёт какой энергии перемещаются в этом случае птицы? (Приложение № 7)
Ответ. При выяснении этого явления было обнаружено, что в штиль парящие птицы держатся несколько позади судна, а при ветре – ближе к подветренной стороне. Также было замечено, что если птицы отставала от корабля, например, охотясь за рыбой, то, догоняя пароход, она большей частью должна была энергично махать крыльями. Эти загадки имеют простое объяснение6: над кораблем от работы машин образуются потоки восходящего теплого воздуха, которые прекрасно удерживают птиц на определенной высоте. Птицы безошибочно выбирают себе относительно судна и ветра такое местоположение, где восходящие потоки от паровых машин бывают наибольшие. Это дает птицам возможность путешествовать за счет энергии корабля. Эти птицы прекрасно «знают» явление конвекции.
6. Часто можно видеть, как некоторые птицы, не взмахивая крыльями, спокойно поднимаются вверх. В большинстве случаев подъем происходит по винтовой линии. За счет каких сил осуществляется этот подъем? (Приложение № 8)
Ответ. В этом случае проявляется «знание» птицами всех способов теплопередачи – теплопроводности, конвекции и излучения. Под действием солнечных лучей различные участки земной поверхности нагреваются по-разному. Над более нагретыми участками возникают восходящие воздушные потоки. Каким образом птицы используют эти потоки, видно из рисунка.
7. Объясните особенности движения альбатроса над морскими волнами.
Ответ. Альбатросы при движении используют энергию морских волн. Над гребнем морской волны возникает восходящий воздушный поток, который создает подъёмную силу и способствует движению птицы вверх. Достигнув максимальной высоты, птица начинает падать вниз, пока снова не будет подхвачена и поднята следующей волной. Таким образом, волнообразное движение альбатроса происходит в такт с движениями морских волн.
8. Почему утки в сильный мороз охотно лезут в воду?
Ответ. Утка хорошо «усвоила» то, что вода имеет большую теплоемкость – 4200 Дж/(кг град). Вода долго нагревается, но и остывает долго. Чем больше объем воды, тем дольше происходит этот процесс. Значит, температура воды в сильный мороз значительно выше температуры окружающего воздуха. Поэтому в воде птица будет охлаждаться меньше, чем на воздухе.
9. Почему перед дождем ласточки летают низко? (Приложение № 9)
Ответ. Перед дождем влажность воздуха увеличивается, в результате чего у мошек, мотыльков и других насекомых крылышки покрываются мелкими капельками влаги и тяжелеют. Поэтому насекомые опускаются вниз, а следом летят и птицы, питающиеся ими, например, ласточки. Можем утверждать, что ласточки знают зависимость силы тяжести от массы тела: F=mg
10. Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи? (Приложение № 10)
Ответ. Птицы «знают» особенности параллельного соединения проводников и закон Ома для участка цепи. Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Следует добавить ещё, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.
11. Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток?
Ответ. При включении высокого напряжения на перьях птицы возникает статический электрический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся, как расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электростатической машиной (продемонстрировать опыт). Это действие статического заряда и побуждает птицу слететь с провода.
12. В стихотворении А.С. Пушкина «Кавказ» есть такие слова: «Орел, с отдаленной поднявшись вершины, парит неподвижно со мной наравне». Объясните, почему орлы, ястребы, коршуны и другие крупные птицы, парящие высоко в небе, могут держаться на одной высоте, не взмахивая при этом крыльями.
Ответ. Нагретый у земли воздух поднимается на значительную высоту. Эти теплые потоки воздуха ударяются снизу в распростертые крылья птицы и поддерживают её. И орлы «знают» о явлении конвекции (Приложение № 11)
13. Во время сильных морозов птицы нахохливаются. Почему при этом они легче переносят холода? (Приложение № 12)
Ответ. «Зная», что воздух обладает низкой теплопроводностью, птицы нахохливаются. Слой воздуха между перьями увеличивается и вследствие плохой теплопроводности задерживает отдачу тепла телом птицы в окружающее пространство.
14. (Приложение № 13) Птица-нырок (чомга) великолепно ныряет. Каким образом она уменьшает силу, выталкивающую её из воды? Каковы ваши предположения?
Подсказка. Вспомните условия плавания тела (соотношение между силой Архимеда и силой тяжести)
III. Экология и птицы.
Звучит «Песня о птицах» в исполнении А.Градского (Приложение № 14)
Учитель: В последние десятилетия деятельность человека оказывает огромное по масштабам и интенсивности воздействие на природную среду. Одним из доказательств пагубного воздействия человека является сокращение видового разнообразия живой природы, в частности, птиц.
Сейчас мы рассмотрим несколько экологических проблем с точки зрения физики.
1. Шум – враг номер один в современном мире.
В населенных пунктах шум возникает из-за работы промышленных объектов, увеличения количества транспорта. Это неизбежно в современных условиях. Но зачастую мы шумим и в лесу, садах и парках – громко говорим, кричим, смеемся, включаем радиоприемники. И это губительно для птиц. Шум наносит большой вред выведению потомства птиц. В результате беспокойства родители покидают облюбованные места. Чем объясняется такое действие шума на живые организмы?
Ответ. Шум – это звук (а звук – это механические колебания), в котором присутствуют колебания различных частот. Эти колебания действуют на мембрану слухового органа, и соответствующие сигналы непрерывно раздражают нервную систему живого организма.
2. Вернемся к вопросу о птицах на проводах из раздела «Физика птицы».
(Приложение № 10). Так ли «безнаказанно» сидят птицы на проводах? Отнюдь нет.
Если птица, сидя на проводе, коснется столба крылом, хвостом или клювом, она будет мгновенно убита током, который устремится через её тело в землю.
В России десятки миллионов птиц ежегодно становятся жертвами воздушных линий электропередачи. В последние годы поражение электрическим током стало настоящей бедой для пернатых. Особенно опасно это для крупных птиц: лебедей, журавлей, пеликанов, бакланов.
Мачты линий электропередачи являются для многих птиц любимым местом отдыха. Их безопасность зависит от конструкции мачт. У многочисленных мачт имеется лишь небольшое расстояние между мачтой и проводом. В таких случаях птицы могут на подлете или при взлете вызывать короткое замыкание, ведущее их к гибели. Птицы погибают и тогда, когда при снижении не замечают провода, особенно, если провода проходят над водой.
Эксплуатация линий электропередач без птицезащитных и птицеотпугивающих устройств в России является нарушением Федерального закона «О животном мире» (статья 28). Какие птицезащитные и птицеотпугивающие устройства можете предложить?
Ответ. а) На мачтах линий высоковольтной передачи установить изолированные насесты, на которых птица могла бы не только сидеть, но и безнаказанно чистить свой клюв о провод.
б) Особо опасные места сделать недоступными для птиц.
в) Оборудовать устройства, издающие такие звуки, которые большинство птиц воспринимает как сигнал тревоги.
г) Провода, проходящие над большими водоемами, делать из материалов, оптические свойства которых не позволяют им сливаться с фоном.
3. (Приложение № 15). Огромные массы нефти транспортируются морским путем и при этом как в результате аварий, так и при промывке резервуаров танкеров на поверхности воды оказываются значительные массы нефти, которая разливается тонким слоем. (Вспомните значения плотности воды и нефти). Так называемые нефтяные слики способны перемещаться неделями и даже месяцами. Более тяжелые фракции осаждаются и образуют эмульсии. Чем опасна нефть для птиц?
Ответ. Влияние нефти для птиц пагубно, так как нефть очень легко проникает к телу птицы. Достаточно небольшого количества нефти, чтобы вызвать нарушение структуры крыла: вода заполняет пространства, в которых обычно заключен воздух, нарушает теплоизоляцию и плавучесть. Птица утяжеляется, её плавательные движения сковываются, она не может летать. Пятно нефти на груди птицы достаточно для её гибели, особенно в холодных водах. Если же птицы не гибнут, то они начинают непрерывно чиститься, при этом нарушается структура их крыльев, они частично заглатывают нефть, что приводит к их заболеванию.
4. (Приложение № 16). Еще одна причина уменьшения количества птиц – это многочисленные столкновения птиц с турбовинтовыми и турбореактивными самолетами. Иногда случается, что птицы просто «атакуют» аэропорты. Чем можно объяснить такое явление?
Ответ. Птиц привлекают в аэропорты звуки высокого тона, которые возникают при работе турбовинтовых и турбореактивных двигателей. Частота колебаний и длина волн этих звуков практически совпадают с частотой и длиной волн звука, издаваемого множеством насекомых.
IV. Задачи о птицах.
(задачи решаются на доске)
1. Скорость ласточки 63км/ч, а скорость скворца – 20,6 м/с. Чья скорость больше?
Ответ. Скорость скворца больше, т.к. 20,6м/с=74км/ч
2.Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300км/ч. Какой путь пролетает он за 5с?
Ответ.S=vt; 1ч=3600с; 1км=1000м; пролетает примерно417м.
3. Скорость полета почтового голубя 1800м/мин. Выразить эту скорость в км/ч. Какой путь пролетает голубь за 3ч полета? Можно ли догнать голубя на автомобиле, имеющем среднюю скорость 60км/ч?
Ответ. 1800м/мин=1800*0,001км*60/ч=108км/ч
S=108км/ч*3ч=324км. Догнать невозможно, так как скорость автомобиля меньше.
4. Определите скорость движения в воде птицы чомги, которую охотники называют «нырком», так как она обладает изумительной способностью к нырянию, если известно, что она равномерно проплывает под водой за 3 мин примерно 500 м.
Ответ. v=S/t; v=500м/3мин=167м/мин
V. Птицы – наши помощники.
Учитель: Мы знаем о роли птиц в регуляции численности насекомых-вредителей. Именно птицы берегут наши леса.
Пение птиц дарит нам положительные эмоции. Известно лечебное воздействие птичьего пения. А голуби помогают людям поддерживать связь друг с другом.
Как вы думаете, помогли ли птицы людям в области науки и техники?
- Да, и вот несколько примеров.
1. (Приложения № 17-19)
Немало легенд о крылатых героях оставили нам поэты и сказочники далекого прошлого. Наиболее известен миф об Икаре, сыне Дедала. Этот миф вам знаком по урокам истории. Познавая природу, человек не мог не обратить внимание на уникальное явление – полет птицы. Поэтому не случайно крылья в первую очередь были выбраны им в качестве возможного средства для полетов. Воздействие живого примера на сознание человека оказалось столь мощным, что на протяжении многих веков все помыслы о воздушном полете неразрывно связывались с машущими крыльями.
Многолетние наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и строением их крыльев позволили ему обосновать принцип аэродинамического управления. Леонардо принадлежит ряд замечательных конструктивных идей. Например, создание фюзеляжа (корпуса летательного аппарата) в форме лодки, использование поворотного хвостового оперения и убирающегося шасси.
Идеи Леонардо да Винчи использовали современные инженеры при конструировании самолетов, махолетов и ракет.
2. Как вы думаете, чем похожи дятел и …космонавт и как дятел сумел помочь космонавтам? (Приложения № 20, 21)
Ответ. Похожи тем, что и космонавт, и дятел испытывают большие перегрузки. Ускоренная киносъемка показала, что когда лесной дятел ищет насекомых или готовит дупло под гнездо, то его клюв может долбить дерево со скоростью при ударе 7 м/с. Полный цикл удара клювом длится всего 0,001 с или меньше, а перегрузка в конце каждого удара достигает 1000 g. Однако мозг птицы никогда не травмируется! Оказалось, что секрет заключается в том, что голова дятла перемещается только вперед и назад в одной плоскости, без каких-либо боковых смещений. В связи с этим у инженеров возникла идея улучшить защитные шлемы космонавтов, сконструировав их таким образом, чтобы ограничить боковые перемещения, что достигается специальными шейными скобами.
3. Калифорнийские специалисты-текстильщики пришли к своеобразному решению проблемы конструирования одежды. На основании исследования перьевого покрова птиц они создали двухслойный материал, у которого наружный слой из синтетических перьев. Почему одежду, сшитую из этого материала, можно носить летом и зимой?
Ответ. Одежда из такого материала годится для любого времени года. Дело в том, что внутренний слой материала электризуется в зависимости от температуры тела в большей или меньшей степени, а это влияет на положение перьев. Зимой одежда становится пушистой, а летом гладкой.
Учитель: Ребята, а чем мы можем помочь птицам? (Приложения № 22, 23)
- Зимой для птиц страшнее голод, а не холод. Поэтому нужно подкармливать птиц, делать для них кормушки. Так ты спасешь хотя бы несколько птиц.
- Не разоряйте птичьи гнезда.
- Весной скворцы нуждаются в нашей помощи – им нужны условия для выведения потомства. Нам вполне под силу изготовить скворечники и установить их так, чтобы ничего не мешало птицам.
- В лесу будьте крайне осторожны с огнем.
- Быть экологически грамотными, получить знания, полезные для общества и природы, и осознанно применять эти знания при организации своей жизнедеятельности.
Подведение итогов, определение победителя.
В перерывах между разделами – задания «Отдыхаем»: скороговорки про птиц.
1. Три сороки-тараторки
Тараторили на горке.
Говорили про торги,
Да про покупки.
Про крупу,
Да про подкрупки.
2.С перепелом перепел
В паре пел.
Перепела перепел
Пе-ре-пел.
3.Дятел лечит древний дуб,
Добрый дятел дубу люб.
4. Дятел дерево долбит,
День-деньской кору дробит.
Дятел дуб долбил,
Да не додолбил.
5. Галдят грачата на галчат,
Глядят галчата на грачат.
Использованная литература
- Ц.Б. Кац Биофизика на уроках физики. Москва, Просвещение, 1988.
- Л.В. Тарасов Физика в природе. Москва, Просвещение, 1988.
- В.М. Варикаш, Б.А. Кимбар, И.М. Варикаш Физика в живой природе. Минск, Народная асвета, 1984.
- Я.И. Перельман Занимательная физика. кн.2. Москва, Наука, 1986.
- Владимир Морозов Занимательная биоакустика. Москва, Знание, 1987.
- Г.А. Фадеева, В.А. Попова Физика и экология. Волгоград, Учитель, 2005.
- В. Волина. Игра – дело серьезное. Санкт-Петербург, Зенит, 1999.
- Научно-методический журнал «Физика в школе». № 5, 2002. С. 49-50.
