IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМА
Галенко А.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Аннотация проекта

Тема проекта: «Природа электричества в живых организмах»

Проблема проекта:

Каждый год в школе “Логос” проходит интересная научно-практическая конференция в рамках одной большой темы “Люди, которые изменили мир”. В 2016-2017 учебном году данная тема посвящена великому физику Н. Тесла. Нас пригласили в качестве гостей на открытие конференции. Из гостей мы стали участниками. На выбор участникам конференции было предложено несколько тем, связанных с электричеством.

Изначально я хотела делать проект по биологии и физики, поэтому я выбрала тему «Природа электричества в живых организмах».

Цель проекта:

Выяснить природу электричества в живых организмах и рассказать об этом ребятам.

Продукт проекта:

  1. Макет ската, на котором показаны электрические органы;

  2. Классный час в 3 классе;

  3. Участие в конференции.

Спецификация:

  1. Научность

  2. Наглядность

  3. Адекватность

  4. Понятность для разных возрастов

Список задач:

1)Обработать литературу

2) Подобрать необходимый материал для изготовления макета

3) Создать учебный макет

4) Написать сценарий для проведения уроков в 3-х классах

5) Провести классный час в 3-х классах, выступить на научно-практической конференции в ЧОУ СОШ «Логос».

Теоретическая часть

Раздел 1. Электромагнетизм.

Сначала разберем, что такое электричество?

Существует невидимая сила, которая протекает внутри биологических объектов и неживой среды. Эта сила называется электричеством. Электричество - это энергия, создаваемая движением и взаимодействием заряженных частиц. Термин «электричество» произошел от греческого слова «электрон», которое переводится как «янтарь». Древние греки обнаружили, что, потерев этот камень, можно получить небольшой статистический заряд. Но создавать электрический ток для своих потребностей люди научились только в начале XIX века.

А электромагнетизм – это явления, возникающие в результате взаимодействия электрического тока и магнетизма. В основе этого раздела лежит учение об электрическом заряде. В природе существуют два вида электрических зарядов, которые условно названы положительные и отрицательные. Элементарные электрические заряды входят в состав атомов вещества: электрон (носитель отрицательного заряда «-») и протон (носитель положительного заряда «+») (рис.1.1).

 

Рис.1.1. Электрические заряды.

 

В зависимости от состояния электрических зарядов и различных свойств проявления их в природе, раздел электромагнетизма условно можно разделить на три подраздела, что облегчает изучение материала: электростатика, электрический ток, магнетизм.

Электростатика — раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов ( коли́чество электри́чества ).

Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. В отличие от механических взаимодействий, где участниками физического процесса являются частицы вещества, массы, в электромагнитных взаимодействиях участвуют частицы эфира, не имеющие массы. Как в случае механических, так и электромагнитных взаимодействиях на расстоянии общим является то, что такие дистантные взаимодействия обеспечивают соответствующие физические поля, через которые передаются физические взаимодействия.

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.

Первооткрывателем электромагнетизма считается датский физик Ханс Кристиан Э́рстед, обнаруживший воздействие электрического тока на магнит.

До начала XIX века никто не предполагал, что электричество и магнетизм что-то связывает. И даже разделы физики, в которых они рассматривались, были разными. Доказательство существования такой связи было получено Эрстедом в 1820 г. во время проведения опыта на лекции в университете. На экспериментальном столе рядом с проводником тока находился магнитный компас. В момент замыкания электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась от своего первоначального положения. Повторив опыт, Эрстед получил такой же результат.

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Тела или частицы, обладающие электрическим зарядом, создают в окружающем их пространстве электрическое поле, являющееся одним из двух компонентов электромагнитного поля.

Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.

Раздел 2. Электричество в живой природе.

Электри́ческие о́рганы (лат. Organa electricus) — органы некоторых рыб, генерирующие электрические разряды. Электрические органы (рис 1.2) возникли независимо у рыб нескольких далёких друг от друга групп (как пресноводных, так и морских). Их имели многие ископаемые рыбы и бесчелюстные; среди современных рыб эти органы известны более чем у 300 видов. Электрические органы — это видоизменённые мышцы, парные органы. У разных видов рыб они сильно отличаются расположением, формой и внутренним строением. Они могут представлять собой почковидные образования (у электрических скатов и электрических угрей), тонкий слой под кожей (электрический сом), нитевидные образования (мормировые и гимнотовые (англ. Gymnotidae)), находиться в подглазничном пространстве (североамериканский звездочёт). Их масса может достигать 1/6 (у электрических скатов) и даже 1/4 (у электрических угрей и сомов) массы тела.

Рисунок 1.2. Электрические органы угря и ската.

Каждый электрический орган состоит из многочисленных собранных в столбики электрических пластинок (рис.2.2) — видоизменённых (уплощённых) мышечных, нервных или железистых клеток, между мембранами которых может генерироваться разность потенциалов. Количество пластинок и столбиков в электрических органах разных видов рыб различно: у электрического ската около 600 расположенных в виде пчелиных сот столбиков по 400 пластинок в каждом, у электрического угря — 70 горизонтально размещённых столбиков по 6000 в каждом, у электрического сома электрические пластинки (около 2 млн.) распределены беспорядочно. Пластинки в каждом столбике соединены последовательно, а электрические столбики — параллельно. Электрические органы иннервируются ветвями блуждающего, лицевого и языкоглоточного нервов, подходящими к электроотрицательной стороне электрических пластинок.

Рисунок 2.2. Электрические органы ската.

Среди электрических рыб первенство принадлежит электрическому угрю (рис.3.2), живущему в притоках Амазонки и других реках Южной Америки. Взрослые особи угря достигают двух с половиной метров. Электрические органы - преобразованные мышцы - располагаются у угря по бокам, простираясь вдоль позвоночника на 80 процентов всей длины рыбы. Это своеобразная батарея, плюс которой находится в передней части тела, а минус - в задней. Живая батарея вырабатывает напряжение около 350, а у самых крупных особей - до 650 вольт. При мгновенной силе тока до 1-2 ампер такой разряд способен свалить с ног человека. С помощью электрических разрядов угорь защищается от врагов и добывает себе пропитание.

Рисунок 3.2. Электрический угорь.

В реках Экваториальной Африки обитает другая рыба - электрический сом (рис.4.2). Размеры его поменьше - от 60 до 100 см. Специальные железы, вырабатывающие электричество, составляют около 25 процентов общего веса рыбы. Электрический ток достигает напряжения 360 вольт. Известны случаи электрического шока у людей, купавшихся в реке и нечаянно наступивших на такого сома. Если электрический сом попадается на удочку, то и рыболов может получить весьма ощутимый удар током, прошедшим по мокрым леске и удилищу к его руке.

Рисунок 4.2. Электрический сом

Однако умело направленные электрические разряды можно использовать в лечебных целях. Известно, что электрический сом занимал почетное место в арсенале народной медицины у древних египтян.

Вырабатывать весьма значительную электрическую энергию способны и электрические скаты (рис.5.2). Их насчитывается более 30 видов. Эти малоподвижные обитатели дна, размером от 15 до 180 см, распространены главным образом в прибрежной зоне тропических и субтропических вод всех океанов. Затаившись на дне, иногда наполовину погрузившись в песок или ил, они парализуют свою добычу (других рыб) разрядом тока, напряжение которого у разных видов скатов бывает от 8 до 220 вольт. Скат может нанести значительный удар током и человеку, случайно соприкоснувшемуся с ним.

Рисунок 5.2. Электрический скат

Как уже говорилось ранее, скат вырабатывает электричество при помощи специальных электрических органов, которые находятся внутри ската (рис.2.2). Они возникли как у пресноводных, так и у морских рыб. Ученые выяснили, что такого рода органы были у некоторых их предков. Современная ихтиология насчитывает больше трехсот видов рыб, которых природа одарила электрическими органами, представляющие собой видоизмененные мышцы. У тех или иных электрических рыб они отличаются своим местоположением. К примеру, у скатов – это почковидные образования.

Если выразиться более простыми словами, то электроорганы скатов являются своеобразными мини-генераторами, которые вырабатывают весьма приличный заряд тока. Кстати, такого заряда хватит на то, чтобы обездвижить человека, не говоря уже о рыбах. Некоторые специалисты утверждают, что электрический скат вырабатывает напряжение в триста вольт. Электроорганы находятся в брюшной части и спинной и сравниваются они с электрической или гальванической батарейкой. Каждый орган состоит из большого количества электрических пластин, которые собраны в столбики. Это видоизменные мышечные, нервные и железистые клетки. Электроорганы рыбы иннервируются специальными ветвями лицевого, языкоглоточного и блуждающего нервов.

В каких случаях скат вырабатывает электричество?

Электрический скат использует свои уникальнейшие электрогенные свойства в нескольких случаях, а именно, если рыба видит, что ей угрожает опасность и во время охоты. Сами скаты, и это весьма любопытно, не страдают от выпускаемого ими электрозаряда, так как их природа одарила специальной «изоляцией». Кстати, те, кто имел неосторожность почувствовать на себе силу воздействия электрического ската, остались крайне недовольными. Как они рассказывают сами, удар тока от рыбы сопровождается продолжительной сонливостью, появляется дрожь в ногах, теряется чувствительность и происходит онемение верхних конечностей.

Любопытно, но еще в древности успешно эксплуатировалось такое удивительное электрогенное свойство скатов. Этих чудо-рыб древне греческий народ использовало для обезболивания во время оперативного вмешательства или же во время родов.

Помимо электрических зарядов большой силы dct рыбы способны вырабатывать и низковольтный, слабый по силе ток. Благодаря ритмическим разрядам слабого тока с частотой от 1 до 2000 импульсов в секунду, они даже в мутной воде превосходно ориентируются и сигнализируют друг другу о возникающей опасности. Таковы мормирусы (рис 6.2) и гимнархи (рис. 7.2), обитающие в мутныхводах рек, озер и болот Африки.

Вообще же, как показали экспериментальные исследования, большинство рыбы, и морских, и пресноводных, способны излучать очень слабые электрические разряды, которые можно уловить лишь с помощью специальных приборов. Эти разряды играют важную роль в поведенческих реакциях рыб, особенно тех, которые постоянно держатся большими стаями.

Рис. 6.2. Мормирус. Рис. 7.2. Гимнарх.

 

Рис.6.2. Мормирус.

 

Практическая часть.

Описание процесса

Вместе с учителем биологии мы решили создать макета ската с его электрическими органами. Очень сложно понять, каким образом происходит процесс возникновения электрического разряда в телах живых организмов.

Теперь главной задачей нашей работы было подобрать необходимый материал для создания макета. Используя опыт предыдущих проектов, за основу мы взяли флористическую пену, из которой вырезали макет ската и его электрических органов. Покрыли его краской и лаком.

Материал должен был быть гибким, эластичным, определенного цвета.

Сначала, я выбрала картинку электрического ската по образу и подобию, которой, начала делать выкройку.

Потом вырезала из губки для флористов основу-тело ската.

Теперь необходимо было сделать плавники и покрасить макет специальной краской.

Оценка результата/продукта

Результатом проекта у нас является макет ската, на котором показаны электрические органы, классный час в 3 классе, участие в конференции.

Макет ската с электрическими органами, согласно анатомическим и морфологическим особенностям. На брюшной поверхности показана имитация электрических органов, в качестве наглядного пособия для младших классов. Макет ската имеет характерные для данного вида окраску: бледно-желтое брюхо и серое тело с характерными желтыми пятнами. Так же показан хвост, который является органом, получающим электрический импульс и передающим его в тело жертвы.

Для проведения классного часа был разработан сценарий: я познакомила ребят с особенностями строения электрического ската, понятием электричества, а так же вместе с учащимися 3 класса в игровой форме мы заселили обитателей морского дна, в том числе и электрического ската. Электрические скаты- это придонные животные, родственники акул, которые питаются рыбой и ракообразными.

Третьим и окончательным этапом нашего проекта стало участие в научно-практической конференции в школе “Логос”. Данное мероприятие является важным аспектом обмена опыта между учащимися разных школ. А так же возможностью узнать новую информацию по разным предметам.

Рефлексия

Сильной стороной проекта было то, что в Интернете очень много информации на данную тему, однако поначалу нам было трудно понять, какую информацию стоит включать в свою работу, а какая является лишней и ненужной. Нашей проблемой также было то, что у нас было очень ограниченно свободное время для работы над проектом. В ходе работы нам пришлось столкнуться с нехваткой необходимых материалов в магазинах. Для нас работа над проектом была интересна, так как наличие дополнительных знаний по данной теме, приобретенных нами по ходу работы над проектом, пригодится нам во время получения высшего образования и дальнейшей работы.

Список использованных источников информации:

Электронные источники:

1) Электрический ток https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA

2)Электрический заряд https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%B0%D1%80%D1%8F%D0%B4

3)Магнитное поле

http://sfiz.ru/page.php?id=62

4)Электромагнетизм

http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/442-elektromagnetizm

5)Электрическое поле

http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/416-elektricheskoe-pole

6)Электрические рыбы

http://www.nkj.ru/archive/articles/10425/

http://faunazoo.ru/kak-skaty-vyrabatyvayut-elektrichestvo

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D1%8B

Приложение 1. Календарное планирование

Декабрь 2016

Январь 2017

Февраль 2017

Сбор информации по теме

Собирание необходимых для создания макета материалов

Разработка презентации

Разработка сценария уроков для 3-х классов

Работа над макетом

Работа над макетом

Подготовка к конференции

Приложение 2. Рецензия (биолог и физик)

Рецензия на проект по биологии

ученицы 7 класса «Гимназии «Жуковка» Галенко Александры

от руководителя проекта, учителя биологии, Зениной С.Ю.

Тема работы: «Электричество в живых организмах».

1. Данная работа характеризуется кратким исследованием теоретического материала о том, как продуцируют электричество живые организмы, как устроены электрические органы животных на примере электрического ската. Приводятся примеры животных, способных производить электричество и применять его в качестве охоты и защиты. Работа носит поисково-исследовательский характер.

2. Тема реферата была выбрана на открытии научно-практической конференции в школе «Логос». Каждый год там проходят конференции «Люди, изменившие мир». В этом году ими был выбран в качестве такого человека Н. Тесло. Поэтому и возникла данная тема проекта. Более того, Саша изначально хотела метапредметный проект по физике и биологии. Проект получился больше биологическим. Однако, неоднократно, Саша брала консультации у учителя физики Барановой Е.В.

3. Практическая значимость работы заключается в поиске информации, её анализе и компоновке. Материал работы понятен любому человеку, т.к. написана она доступным языком, не перенасыщена специальной терминологией и, в тоже время, весьма познавательна и полезна.

4.В работе использован материал из источников информации, обзор которых выполнен полно и качественно.

5. В работе, самое активное участие приняла Саша, но во многом ей помогала и мама.

6.В подаче материала (через презентацию) используются интерактивные компьютерные технологии и макет, созданный самой ученицей в соавторстве с учителем биологии.

7. Не смотря на то, что времени у нас было много, проект требовал кропотливой работы, так как макет ската приходилось по долгу сушить и покрывать новым слоем краски и лака.

Саша проявила себя, как самостоятельный и пунктуальный участник проекта. Она стабильно, посещала все консультации и выполняла домашнее задание по проекту. Она сама разработала конспект классного часа (урока) для 3 класса и успешно его провела.

Именно по этим причинам, работа заслуживает высокой оценки «отлично».