Конкурс «Я иду на урок»

С.М.МОРОЗОВА (учитель биологии) morosovas@yandex.ru,
О.Б.ХРОМОВА (учитель физики),
СОШ № 1231 им. В.Д.Поленова
с углублённым изучением иностранного языка,
ЦАО, г. Москва

 

Соединение костей. Сустав как рычаг

Конспект интегрированного урока БИОЛОГИЯ+ФИЗИКА. 8-й класс

Цели и задачи урока: сформировать знания о типах соединения костей; показать взаимосвязь строения и функций этих соединений; раскрыть особенности строения скелетных мышц, их прикрепления к костям, действие мышц-антагонистов и синергистов; выяснить функции мышц и нервной системы при движении человека; убедиться в применимости законов механики для человеческого организма и уяснить себе целесообразность его устройства с точки зрения физики; развивать умения решать проблемные вопросы, конструировать ответы.

Оборудование: таблицы «Скелет человека», «Типы соединения костей», «Мышцы человека», модель скелета человека, отдельные кости (трубчатая кость, кость черепа, позвонок), видеофрагмент «Строение сустава».

Межпредметные связи: зоология, анатомия, физика, химия, иностранные языки, история, математика.

Ход урока

I. Организационный этап

II. Актуализация опорных знаний (фронтальная работа)

• В древности говорили: «Движение строит».

• Древние греки высекли на камне: «Хочешь быть здоровым – бегай. Хочешь быть красивым – бегай. Хочешь быть умным – бегай».

• Выдающийся французский просветитель Вольтер заметил: «Движение – это жизнь».

Учитель биологии. Благодаря какой системе органов мы способны на перемещения в пространстве?

Учащиеся. Опорно-двигательной.

Учитель биологии. Из каких частей состоит опорно-двигательная система?

Учащиеся. Из трёх: скелета (пассивная часть), мышц (активная часть) и связочного аппарата.

Учитель биологии. Какие механические функции выполняет скелет?

Учащиеся. Опорную, защитную и двигательную.

Учитель биологии. Скелет – это кости. А можно ли по форме кости определить её функцию? Перед нами три кости – позвонок, кость черепа, плечевая кость. Что вы можете сказать о функциях каждой?

Учащиеся. Кости черепа – плоские, они защищают головной мозг от повреждений. Позвонок – опора для органов и тканей и защита спинного мозга от повреждений, совокупность позвонков образует позвоночный канал. Плечевая кость – длинная трубчатая кость, является опорой для мышц руки, а также вместе с мышцами обеспечивает движение.

III. Изучение новой темы

Учитель биологии. Кости определённым образом соединены друг с другом.

• Проблемный вопрос: как соединяются между собой кости в скелете и в чём проявляется взаимосвязь строения и функции этих соединений?

(Рассказ учителя по таблице «Типы соединения костей» и моделям скелета человека.) Различают три типа соединения костей (чертит на доске схему).

Неподвижное соединение костей происходит путём их срастания. Движения при этом ограничены или вовсе отсутствуют. Неподвижность костей мозгового отдела черепа достигается тем, что многочисленные выступы одной кости входят в соответствующие углубления другой. Такое соединение костей получило название шва. У ребёнка в первые годы жизни тазовая кость состоит из трёх отдельных костей, соединённых друг с другом прослойками хряща, которые постепенно замещаются костной тканью, кости срастаются друг с другом.

Как вы думаете, каково предназначение неподвижного соединения костей?

Учащиеся. Защитное.

Учитель биологии. Полуподвижное соединение достигается за счёт упругих хрящевых прокладок между костями, между отдельными позвонками. При сокращении мышц прокладки сжимаются, и позвонки сближаются. Какое значение имеют прослойки упругого хряща при ходьбе, беге, прыжках?

Учащиеся. Хрящи действуют как амортизаторы, смягчая резкие толчки и предохраняя тело от сотрясения.

Учитель биологии. А какие функции выполняет полуподвижное соединение костей?

Учащиеся. Опорную, защитную и двигательную.

Учитель биологии. Подвижное соединение костей встречается чаще всего. Это сустав. В нашем скелете 230 суставов, например, коленный, локтевой, плечевой, лучезапястный. Они обеспечивают движение частей тела. На суставе особенно отчётливо видно соответствие строения и функции. Сейчас мы просмотрим видеофрагмент «Строение сустава», а затем разберём строение сустава. (Просмотр видеофрагмента.) Вы увидели, что, как и всё гениальное, суставы устроены просто.

В каждом из них имеются кости 1 взаимно соответствующей формы, суставные поверхности которых покрыты гладким хрящом 2. Какую форму имеют сочленяющиеся кости?

Учащиеся. Одна кость имеет головку, а другая – соответствующую впадину.

Учитель биологии. Почему форма именно такова?

Учащиеся. Она обеспечивает максимальное сближение костей.

Учитель биологии. В состав сустава входит также суставная сумка (капсула) 3, которая удерживает сочленяющиеся кости друг возле друга и защищает сустав от повреждений. Сочленяющиеся кости плотно прилегают друг к другу или нет?

Учащиеся. Нет, между ними есть зазор, полость.

Учитель биологии. Это суставная полость, или суставная щель 4. Она заполнена суставной жидкостью. Как вы думаете, зачем здесь нужна жидкость?

Учащиеся. Она служит смазкой, уменьшает трение, питает хрящи, покрывающие кости.

Учитель биологии. Усложняют суставы вспомогательные элементы. Это связки и сухожилия, которые скрепляют сустав. Суставы бывают простыми (соединяются две кости) и сложными (соединяются три и более костей). К простым относятся суставы: тазобедренный, между фалангами пальцев, локтевой, коленный, голеностопный.

Итак, строение сустава обеспечивает относительную прочность соединения костей и их подвижность. Гений эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, исследуя движения человека, высказал мысль, что они подчиняются законам механики. А теперь рассмотрим с физической точки зрения признаки, обеспечивающие прочность соединения костей в суставе и подвижность этих соединений.

Учитель физики. Почему у сочленяющихся костей сустава именно такая форма: одна кость имеет головку, а другая – соответствующую впадину? Наверное, чтобы обеспечить хороший контакт между костями сустава. А как называется такой вид контакта?

Учащиеся. Плотный контакт.

Учитель физики. Чем плотный контакт выгоднее, чем, например, вот такой контакт?

Учащиеся. В разных контактах при одном и том же усилии создаётся разное давление в месте сопрокосновения поверхностей. Действительно, давление р = F/S, где F – сила, S – площадь поверхности контакта. Если увеличить S, то давление уменьшится, вероятность того, что кость в этом месте разрушится, будет меньше.

Учитель физики. Что ещё в суставе целесообразно с точки зрения физики?

Учащиеся. Смазка – для уменьшение трения.

Учитель физики. Да, поверхности контактирующих костей очень гладкие (хрящи). Трение тем больше, чем больше шероховатость, это особенно существенно при большой поверхности соприкосновения. Трение при наличии смазки (суставной жидкости) существенно ниже, т.к. молекулы жидкости весьма подвижны. Суставная жидкость уменьшает коэффициент трения в суставе примерно в 20 раз. Поразителен характер действия «выжимающейся» смазки: при снижении нагрузки на сустав она поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении давления выжимается для смачивания его поверхности и уменьшения коэффициента трения.

Прочность сустава ограничена. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см². При более высоком давлении смачивание суставного хряща прекращается, увеличивается опасность его механического истирания. В среднем и пожилом возрасте из суставной сумки выделяется меньше жидкости. В живых организмах очень много мест, где необходимо обеспечить низкое или, наоборот, высокое давление в контакте. Назовите такие места.

Учащиеся. Низкое давление – все суставы, стопа при ходьбе; высокое давление – челюсти, когти, ногти.

Учитель биологии. Скелет является пассивной частью опорно-двигательной системы и не может самостоятельно обеспечивать движение. Какая часть системы выполняет эту функцию?

Учащиеся. Мышцы – активная часть опорно-двигательной системы.

Учитель биологии. В организме более шестисот разнообразных мышц. Слово «мышца» произошло от латинского слова musculus, что значит мышь. Связано это с тем, что анатомы, наблюдая сокращения скелетных мышц, заметили, что они как бы бегают под кожей, словно мыши. Какие мышцы называют скелетными, как вы думаете?

Учащиеся. Те, что прикрепляются к костям скелета.

Учитель биологии. Скелетных мышц в организме около четырёхсот, они составляют 30–35% массы тела взрослого человека. Какие ещё мышцы находятся в нашем организме? Какие органы образованы этими мышцами?

Учащиеся. Гладкие мышцы – образуют стенки внутренних органов: кровеносных сосудов, желудка, кишечника и др.

Учитель биологии. Структурным элементом мышц является мышечное волокно (клетка). Мышечные волокна скелетных мышц отличаются по строению и функ-циям от волокон гладких мышц. Какой вид мышечной ткани образует скелетные и какой – гладкие мышцы?

Учащиеся. Поперечно-полосатая и гладкая.

Учитель биологии. Какие свойства характерны для мышечной ткани?

Учащиеся. Возбудимость и сократимость.

Учитель биологии. Поперечно-полосатая мускулатура не может так сильно удлиняться, как гладкая, зато сокращается быстрее. Попробуйте объяснить, почему улитка или дождевой червь двигаются медленно, а пчела, ящерица, орёл, человек – быстро? С чем это связано?

Учащиеся. У улитки и дождевого червя нет поперечно-полосатой мускулатуры, в отличие от пчелы, ящерицы, орла и человека.

Учитель биологии. Скелетная мышца состоит из поперечно-полосатых мышечных волокон, собранных в пучки 1. Снаружи каждый из мышечных пучков и вся мышца в целом покрыты соединительнотканными оболочками 2. Мышцы богаты кровеносными сосудами 3, есть и лимфатические сосуды. В мышцах оканчиваются рецепторами нервные волокна 4. Зачем в мышцах кровеносные сосуды и рецепторы?

Учащиеся. Кровь обеспечивает клетки питательными веществами и кислородом и выносит продукты распада; а нервные окончания обеспечивают регуляцию работы мышц.

Учитель биологии. В скелетной мышце различают начальную часть – головку, среднюю – тело (брюшко) и конечную – хвост. С помощью головки мышца прикрепляется к одной кости, а с помощью хвоста через сустав или суставы – к другой, так что при её сокращении кости приходят в движение. Как вы думаете, какая часть мышцы сокращается?

Учащиеся. Брюшко, т.к. состоит из мышечных волокон.

Учитель биологии. Сокращаясь, мышца выполняет работу: она укорачивается, становясь при этом толще, и сближает кости, на которых укреплена. При расслаблении мышца работы не производит, поэтому движение в любом суставе обеспечивается минимум двумя мышцами, действующими в противоположных направлениях. Уже в античные времена началось изучение движений человека. Древнегреческий философ Платон (428–348 гг. до н.э.) считал, что мозг есть средоточие мысли, а мышление основывается на стимуляции, получаемой из каждого вида чувствительности. Управляет же мозг так же, как возница управляет лошадьми. Другой древнегреческий философ Аристотель (384–322 гг. до н.э.) впервые описал действие мышц и провёл их геометрический анализ. Римский врач Клавдий Гален (ок. 130–200 гг.) первым заметил связь активности мышц с движениями в суставах и ввёл понятие о мышцах-антагонистах и синергистах. Мышцы, действующие в противоположных направлениях (например, сгибатели и разгибатели), называют антагонистами, а мышцы, действующие в одном направлении, – синергистами.

Рассмотрим, что происходит при сгибании и разгибании руки в локте. Работают две мышцы: двуглавая (бицепс) и трёхглавая (трицепс). При сокращении бицепса рука сгибается в локте. А в каком состоянии находится трёхглавая мышца?

Учащиеся. В расслабленном.

Учитель биологии. При сокращении же трицепса рука разгибается, а двуглавая мышца в этот момент расслаблена. Мышцы-антагонисты в суставе работают в составе рычагов.

Учитель физики. В теле человека много рычагов. А что такое рычаг? Рычаг – это твёрдое тело, имеющее ось вращения. Найдите в скелете примеры рычагов.

Учащиеся. Практически все суставы.

Учитель физики. Рассмотрим наиболее наглядные примеры рычагов.

• Удержание груза в кисти руки (учитель рисует на доске схему действия локтевого сустава как рычага).

Задача была впервые поставлена и решена гением эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Сейчас эта задача по силам любому из вас. Какую работу могут выполнять мышцы?

Учащиеся. Поднять груз – сокращение бицепса, опустить груз – сокращение трицепса.

Учитель физики. Перейдём к схеме рычага. Как вы думаете, локтевой сустав – рычаг какого рода?

Учащиеся. Рычаг 2-го рода.

Учитель физики. Правильно. Смотрим на схему: F₁ – вес груза; F₂ – сила, развиваемая бицепсом; F₃ – вес самого предплечья с кистью, приложен условно в середине предплечья, чтобы было проще рассчитывать; l₁ – плечо веса груза (от сустава до места нахождения груза); l₂ – плечо силы бицепса (от локтевого сустава до места прикрепления бицепса к предплечью); l₃ – плечо веса предплечья и кисти.

Пусть масса груза 10 кг. Для взрослого человека массой около 80 кг и ростом около 185 см: l₁ = 0,35 м, l₂ = 0,04 м, l₃ = 0,19 м, F₃ = 25 Н.

Условие равновесия рычага: M_i = 0 (сумма моментов всех сил равна нулю), или, в нашем случае,

F₁l₁ + F₃l₃ – F₂l₂ = 0

(момент силы F₂ – против часовой стрелки, все остальные – по часовой стрелке). Произведём расчёт (к доске вызывается ученик).

F₂l₂ = F₁l₁ + F₃l₃;

F₂ 994 Н (т.е. около 1000 Н).

Получается, что вес груза меньше усилия, развиваемого бицепсом, примерно в 10 раз, так что мы неверно изобразили длину вектора F₂ (удлиняет на графике вектор F₂ в 8 раз). Как вы думаете, зачем природа устроила локтевой сустав так, чтобы мы так сильно проигрывали в усилии?

Учащиеся. Биологический смысл: скелет с равными плечами действия сил будет громоздким и неуклюжим, т.к. бицепс должен быть прикреплён тогда ближе к кисти.

...Физический смысл: проигрывая в 10 раз в усилии, мы выигрываем в 10 раз в перемещении кисти, а стало быть, и в её скорости.

Учитель физики. О каком правиле механики идёт сейчас речь?

Учащиеся. О «золотом» правиле механики (законе сохранения энергии для рычага): F₁/F₂ = s₂/s₁.

Учитель физики. Это следует из равенства работ, совершённых данными силами, т.е. из невозможности получить энергию непонятно откуда. Таким образом, если сжатие бицепса составит 5 см (0,05 м), мы получим соответственно перемещение кисти около 50 см (0,5 м) и выиграем в скорости движения.

• Подъём стопы на «полупальцы»

Рассмотрим следующий пример: мы приподнимаемся на пальцах стопы (к доске вызывается ученик, который рисует схему).

F₁ – сила, действующая со стороны голени на сустав в лодыжке; l₁ – расстояние от точки касания стопой пола до сустава;

F₂ – усилие, развиваемое в ахилловом сухожилии; l₂ – расстояние от точки касания пола до места крепления ахиллова сухожилия;

F₃ – сила реакции опоры (пола), равная по модулю весу человека.

Для человека массой 80 кг: F₃ = 800 Н, l₁ = 0,12 м, l₂ = 0,18 м.

Условие равновесия рычага (правило моментов):

–F₂l₂ + F₁l₁ = 0 (М_i = 0).

Условие неподвижности тела в вертикальном направлении: F₁ – F₂ – F₃ = 0 (F_i = 0).

Решаем систему уравнений:

F₂ 1600 Н; F₁ 2400 Н.

Из результата легко понять, почему стоять на пальцах стопы очень тяжело.

IV. Закрепление пройденного материала

Учитель физики. Сегодня мы узнали типы соединения костей и убедились в том, что подвижные соединения – суставы – работают, как рычаги. Найдите самостоятельно и покажите на скелете несколько других рычагов.

Учащиеся. Колено, позвоночник, таз, череп.

V. Подведение итогов

Анализ достижения целей урока. Выставление оценок.

VI. Домашнее задание: § 6, 10; термины, вопросы в конце параграфов. Убедиться в том, что давление, создаваемое зубами человека, очень велико, и представить себе последствия такого давления для зубной эмали при разгрызании очень твёрдых предметов. Прикусить зубами (резцами или клыками) миллиметровую бумагу, выделить чётко отпечатавшееся пятно контакта. Считая усилие, развиваемое челюстными мышцами, равным 4000 Н, посчитать давление при разгрызании твёрдого предмета двумя зубами.

Указание. Площадь S определить подсчётом миллиметровых клеточек, затем перевести в квадратные метры.

Литература

Драгомилов А.Г., Маш Р.Д. Биология. Человек: Учебник для 7-го кл. – М.: Вентана-Граф, 2005.

Попов Г.И. Биомеханика. – М.: Академия, 2005.

Чандаева С.А. Физика и человек. – М.: Аспект-пресс, 1994.

Светлана Михайловна Морозова окончила биолого-химический факультет МГПИ им. В.И.Ленина по специальности «Учитель биологии на французском языке» в 1982 г. В 1982–2004 гг. работала в школе № 72 ЗАО учителем биологии. Затем и по настоящее время работает в школе № 1231 ЦАО заместителем директора по воспитательной работе и учителем биологии. Участник ГЭП «Предпрофильная и профильная подготовка учащихся по биологии в рамках концепции модернизации российского образования на период до 2010 г.». Увлечение – цветоводство. Старшая дочь окончила ВЗФЭИ, младшая – студентка МГУПБ. Кредо: «Научить детей слушать и слышать, смотреть и видеть». Выпускники ежегодно становятся победителями окружного тура Московской олимпиады по биологии. Многие учатся в вузах медицинской и биологической направленностей.

Ольга Борисовна Хромова окончила с отличием МВТУ им. Н.Э.Баумана по специальности «Робототехнические системы» в 1988 г. Учителем физики работает с 1992 г. В 1996–1997 гг. окончила курсы переквалификации в МИПКРО. Увлечения: чтение и вязание. Старший сын учится в МИФИ, младший – в школе № 1231. Педагогическое кредо: «От каждого – по способностям, а по потребностям – всем!»