Материал - Городской методический центр

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ЮЖНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ «ШКОЛА С УГЛУБЛЕННЫМ
ИЗУЧЕНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ
№ 1466 ИМЕНИ НАДЕЖДЫ РУШЕВОЙ»
Адрес: 115304, г. Москва, Москва, Ереванская ул. д.20 к.2
Тел.: +7(495)321-07-83
Официальный сайт: http://sch1466u.mskobr.ru
КУРЧАТОВСКИЙ ЦЕНТР КОНВЕРГЕНТНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Методическая разработка метапредметного занятия на тему:
«Давление»
Разработано:
Т.А Великанова
Л.И. Куприянова
Л.И. Бурыкина
В.Е. Федоров
Москва – 2014 г.
1
СОДЕРЖАНИЕ
I.
II.
III.
Cценарий проведения метапредметного занятия по физике для учащихся 10
классов
1. Актуальность темы
2. Сценарий проведения эксперимента по определению зависимости давления
газа от температуры
3. Сценарий проведения эксперимента по определению зависимости давления
газа от объема
Cценарий проведения метапредметного занятия по биологии и химии для
учащихся 10 классов
1. Актуальность темы
2. Цель и задачи работы
3. Сценарий проведения эксперимента по изучению плазмолиза растительных
клеток
Список использованной литературы
2
СЦЕНАРИЙ ПРОВЕДЕНИЯ МЕТАПРЕДМЕТНОГО ЗАНЯТИЯ
ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ 10 КЛАССОВ
Актуальность темы
Давление – физическая величина, которая встречается при изучении дисциплин
естественно-научного цикла. Различают следующие виды давления: барометрическое (или
атмосферное), гидростатическое, давление газа, осмотическое, артериальное. На основе
интеграции курса физики со смежными дисциплинами происходит формирование научного
мировоззрения и универсальных учебных действий, что позволяет довести до осознания
учащимися общности всех предметов естественно-научного цикла. Благодаря этому наука
предстает не только как система знаний, но и как система методов.
Давление – одно из условий существования живых систем на Земле в любых средах и
местах обитания. Приспособленность живых организмов к нему проявляется на многих
уровнях организации от осмотического давления в простой клетке до процессов дыхания и
движения крови в организме человека.
Цели:
 Расширить знания о давлении
 Выяснить: от чего зависит давление
 Изучить роль давления в жизни человека
 Подтвердить теоретические факты опытными результатами
Давление газа
Газы, в отличие от твердых тел и жидкостей, заполняют весь сосуд, в котором
находятся. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры, или
любого другого тела, в котором он находится. Давление газа обусловлено иными причинами,
чем давление твердого тела на опору. Известно, что молекулы газа беспорядочно движутся.
При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором
находится газ. Сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки
сосуда значительно, оно и создает давления газа. Итак, давление газа на стенки сосуда (и на
помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
Проведем эксперимент по определению зависимости давления газа от температуры
при постоянном объеме. Для этого нам понадобится следующее оборудование:
1. Калориметр;
2. Шприц для отбора воды;
3. Стеклянный сосуд с отводной трубкой;
4. Кусочек шланга (2 см);
5. Датчик давления и датчик температуры;
6. Два USB-кабеля;
7. Электрочайник с горячей водой;
8. Ноутбук.
3
Методика проведения эксперимента:
1.
В калориметр налейте горячей воды на 2/3
объема калориметра;
2.
Датчик давления с помощью шланга
соединяем с сосудом, а с помощью кабеля с
USB-портом компьютер;
3.
Погрузите
датчик
температуры
в
калориметр через отверстие резиновой
пробки, а стеклянный сосуд погрузите в
широкое отверстие крышки калориметра;
4.
Запустите программу «Цифровая лаборатория» При запуске программа должна
идентифицировать датчик и выставить список работ. Выберете нужную работу;
Когда показания датчиков выдут на стационар, остановите измерения и установите
желтый вертикальный маркер;
Для получения следующей экспериментальной точки с помощью шприца удалите 50мл
воды из калориметра, а затем влейте 50мл воды комнатной температуры;
5.
6.
7.
Запустите регистрацию и снимите новые
показания и отметьте красным маркером;
8.
Сделайте вывод.
Проведем эксперимент по определению зависимости давления газа от объема. Для
этого нам понадобится следующее оборудование:
1. Шприц объемом 50 мл;
2. Шланг пластиковый с внутренним диаметром 4 мм;
3. Датчик давления;
4. USB-кабель;
5. Ноутбук.
4
Методика проведения эксперимента:
1.
Собрать экспериментальную
установку;
2.
Запустите программу «Цифровая
лаборатория» При запуске программа
должна идентифицировать датчик и
выставить список работ. Выберете
нужную работу;
3.
Запустите
регистрацию,
изменяя
положение поршня шприца, следим за
регистрируемой кривой;
4.
Сделайте вывод.
5
СЦЕНАРИЙ ПРОВЕДЕНИЯ МЕТАПРЕДМЕТНОГО ЗАНЯТИЯ
ПО БИОЛОГИИ И ХИМИИ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ 10 КЛАССОВ
Как известно, все биологические мембраны являются полупроницаемыми, одни
вещества (воду, газы) они пропускают, а другие (крупные заряженные молекулы, к примеру,
глюкозу) — нет. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается одним из
признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует поступление
веществ внутрь и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за липидной природы
мембрана даже мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и менее «избирательной»,
чем мембрана живой.
Избирательность транспорта через проницаемую мембрану ведет к возникновению в
клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления, происходящие в системе,
состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной
клетке роль полупроницаемых пленок выполняют: плазмалемма — мембрана, разделяющая
цитоплазму и внеклеточную среду, и тонопласт — мембрана, разделяющая цитоплазму и
клеточный сок, представляющий собой содержимое вакуоли.
Осмос — процесс диффузии воды через полупроницаемую мембрану из раствора с
низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией
растворенного вещества.
Представим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной, в одной
половине сосуда находится более концентрированный раствор соли (к примеру, 1 M NaCl), в
другой — менее концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта объем раствора в
каждой из половин одинаков, а концентрация соли различается (рис. 1A).
Рис. 1. Схема явления осмоса.
Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу
после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул воды.
Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит в
отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но интенсивность
перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы — покрыты гидратной «шубой».
Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически связываются с ионами хлора
и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине сосуда концентрация Na + и Clбольше, соответственно больше воды требуется для гидратирования этих ионов (рис. 1). В
связи с этим вода интенсивнее переходит из отсека с малой концентрацией соли в отсек с
большой концентрацией. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в
концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между
двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате уровень раствора в первом
понижается, а в последнем повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис.
1B). Заметим, что изменение объема жидкости и концентрации соли связано с
6
перераспределением только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для
ионов натрия и хлора.
Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией соли
давление (толстая красная стрелка на рис. 1B), диффузия воды замедлится. Давление, при
котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением.
Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому
прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое давление
раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление — очень
важная величина, характеризующая осмос.
В физической химии осмотическое давление обозначается буквой π (выражается в
паскалях) и вычисляется по уравнению Вант-Гоффа:
𝜋 =𝑖∙𝐶∙𝑅∙𝑇
(1)
где 𝑖 — изотонический коэффициент раствора (также фактор Вант-Гоффа); 𝐶 —
молярная концентрация раствора, моль/л; 𝑅 — универсальная газовая постоянная, 8,314
Дж/моль∙К; 𝑇 — термодинамическая температура раствора, К.
Проанализируем это выражение: R — постоянная величина, константа, которая никак
не влияет на осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную
величину, поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком
температурном диапазоне. Следовательно, осмотическое давление раствора зависит только
от его концентрации, причем зависимость линейная: чем больше концентрация соли (или
другого осмотически активного вещества, не проходящего через полупроницаемую
мембрану) в растворе, тем больше его осмотическое давление. В изученной ситуации
осмотическое давление раствора NaCl 0,01 M значительно меньше, чем осмотическое
давление раствора с концентрацией 1 M.
Если осмотическое давление раствора больше, чем давление исследуемой жидкости,
раствор называют гипертоническим; если меньше — гипотоническим, если такое же —
изотоническим (рис.2).
Рис. 2. Виды осмотического давления.
В приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01 M NaCl является
гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1 M NaCl. Широко
используемый в медицинской практике физиологический раствор, является изотоническим
по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом растворе и плазме
крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление.
7
Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется
онкотическим (рОНК, 0,03—0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почек
концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и
возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где рОНК больше. При
гнойных процессах рОНК в очаге воспаления возрастает в 2-3 раза, так как увеличивается
число частиц из-за разрушения белков. В организме осмотическое давление должно быть
постоянным (7,7 атм.). Поэтому пациентам вводят т.н. «изотонические растворы». Это
растворы, осмотическое давление которых равно р плазмы ≈ 7,7 атм. Например, 0,9% NaCl
— физиологический раствор или 5% раствор глюкозы. Гипертонические растворы, у
которых р больше, чем осмотическое давление плазмы, применяются в медицине для
очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2,
20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4∙10H2O, MgSO4∙7H2O).
Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень
значительным. Как упоминалось выше, осмотическое давление жидкостей человеческого
тела в среднем равно 7 атм. Именно за счет осмотического давления вода из корней деревьев
доходит до листьев.
Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее
осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» — начнется переход растворителя из отсека
с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это явление носит
название обратного осмоса и находит широкое применение в производстве фильтров для
очистки питьевой воды.
Плазмолиз. Виды плазмолиза. Под плазмолизом понимается отделение протопласта
клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Он характерен,
главным образом, для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой (рис.3).
Рис. 3. Явление плазмолиза в клетке традесканции
(Tradescantia L., 1753)
Рис. 4. Эпидермальные клетки традесканции
(Tradescantia L., 1753) в нормальном состоянии.
В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к
клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления (рис. 4).
При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в
котором больше, чем в клеточном соке, — скорость диффузии воды из клеточного сока
будет превышать скорость ее диффузии в клетку извне.
Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор
уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением
цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в
размерах и отделяется от клеточной стенки.
8
Актуальность темы
Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что явление осмоса играет важную
роль во многих химических и биологических системах, а благодаря осмотическим процессам
регулируется транспорт веществ в клетки и межклеточные структуры.
Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где
капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию; в лабораторной технике: при
определении молярных характеристик полимеров, исследовании разнообразных
биологических структур; в промышленности: при получении некоторых полимерных
материалов, очистке высокоминерализованной воды; в медицинской практике:
использование физиологических растворов в качестве дезинтоксикационного средства, для
коррекции состояния при обезвоживании и растворения других лекарственных препаратов.
Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и
других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за
пагубного воздействия осмоса.
Цель и задачи работы
Изучить формы плазмолиза на препарате эпидермиса лука, убедиться на опыте, что
цитоплазма клетки эластична, полупроницаема и способна плазмолизировать.
Рассчитать величину потенциального осмотического давления клеточного сока лука.
Методика проведения эксперимента:
№
Материалы и оборудование
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
2
лук репчатый (Allium cepa L.), эпидермис
раствор KNO3
раствор Са(NО3)2
стекла предметные
стекла покровные
медицинский скальпель
фильтровальная бумага
препаровальные иглы
микроскоп лабораторный в комплекте «Микромед-3» вар. 3-20
видеокамера (цифровая камера-окуляр) для работы с оптическими
приборами Levenhuk C310
стеклянный стакан 50 см3
химические пробирки
дозатор 1-канальный, переменного объема
пинцет медицинский
песочные часы (5 мин.)
весы лабораторные
11.
12
13.
14.
15.
16.
Ед.
изм.
3
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
Колво
4
1
7
7
7
7
1
14
1
1
1
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
шт.
2
14
1
1
1
1
Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран
растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления.
Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или
9
несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука,
листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.
В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим давлением
клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери воды
цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый (рис.
5).
Рис. 5. Плазмолиз растительной клетки: А — клетка в состоянии тургора; Б — уголковый; В —
вогнутый; Г — выпуклый; Д—судорожный. 1 — оболочка, 2 —вакуоль,
3 — цитоплазма, 4 — ядро, 5 — нити Гехта.
Приготовьте по 10 см3 0,1 М, 0,3 М, 0,5 М, 0,7 М и 1,0 М растворов азотнокислого
кальция (сахарозы) и азотнокислого натрия путем разбавления в пробирках 1,0 М исходного
раствора дистиллированной водой.
Необходимо взять необходимое количество предметных стекол (10 шт.) и капнуть на
одно из них ранее приготовленные растворы, в каждую каплю поместить кожицу лука
размером 5х5 мм, а затем накрыть покровным стеклом. Через интервалы 5, 10, 20 минут
рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом (окуляр х15, объектив х8),
потом на большом (окуляр х15, объектив х40) увеличении.
Отметьте степень плазмолиза большинства клеток в каждом растворе и внесите
полученные данные в таблицу №1.
Таблица №1
Концентрация
опытных
растворов,
моль/л
Схема приготовления опытных
растворов
1,0 М исходный
Дист. вода,
раствор,
см3
3
см
Форма
плазмолиза
Изотоническая
концентрация
(расчет),
моль/дм3
По результатам наблюдений найдите изотоническую концентрацию, как среднее
арифметическое между концентрацией, при которой плазмолиз только начинается, и
концентрацией, которая еще не вызывает плазмолиза.
10
Рассчитайте величину потенциального осмотического давления клеточного сока по
уравнению Вант-Гоффа (1). Коэффициент Вант-Гоффа (𝑖) для неэлектролитов равен
единице, а для электролитов его вычисляют по формуле (2):
𝑖 = 1+∝∙ (𝑛 − 1),
(2)
где ∝ – степень диссоциации (см. таблицу № 2); 𝑛 – число ионов, на которое
диссоциирует молекула.
Таблица №2
Концентрация раствора, моль/дм
Степень диссоциации р-ра Ca(NO3)2
Степень диссоциации р-ра KNO3
3
0,1
0,488
0,83
0,2
0,429
0,79
0,3
0,397
0,76
0,4
0,378
0,74
0,5
0,365
0,71
0,6
0,356
0,70
0,7
0,349
0,68
В растворе нитрата калия возникает главным образом выпуклый плазмолиз (рис. 5 Г), в
растворе нитрата кальция — судорожный плазмолиз (рис.5 Д). Ион калия (очень медленно
по сравнению с водой проходящий через мембрану за счет наличия калиевых каналов)
уменьшает вязкость цитоплазмы, способствуя ее отделению от клеточной стенки, вследствие
чего возникает выпуклый плазмолиз. Ион кальция, напротив, повышает вязкость
цитоплазмы, увеличивая силы ее сцепления с клеточной стенкой, что вызывает
преимущественно судорожный плазмолиз. Оба описанных вида плазмолиза обычно
предваряются вогнутым плазмолизом (рис. 5 В).
11
Список использованной литературы:
Кирилова И. Г. Книга для чтения по физике. Москва: Просвещение, 1986. – 205 с.
Мансурова С.Е. Практикум по общей биологии. - М.: Гуманитар. Изд. центр
ВЛАДОС, 2006. – 79 с.
3. Воробьев В.Н., Невмержицкая Ю.Ю., Хуснетдинова Л.З., Якушенкова Т.П.,
Практикум по физиологии растений: учебно-методическое пособие – Казань:
Казанский университет, 2013. – 80 с.
4. Семенов З.В., Мамонтов С.Г., Коган В.Л. Биология: пособие для поступающих в вузы.
Под ред. Мамонтова С.Г. – М.: Высш. шк.,1984. – 352 с.
5. Справочник химика: химическое равновесие и кинетика свойств растворов.
Электродные процессы / под ред. Никольского Б.П. [и др.]. – 2-е изд. – Л.: Химия,
1965. – Т. 3. – 1008 с.
6. Туманов В.Н., Чирук С.Л.. Малый практикум по физиологии растений: по курсу
"Физиология растений" для студентов специальностей: 1-31 01 01 Биология, 1-33 01
01 Биоэкология, 1-31 01 01-03 Биотехнология. – Гродно, 2012. – [Электронный
ресурс] URL: http://ebooks.grsu.by/mal_prakt_po_fiziolog/.
7. Баханова М.В. Учебный курс: Физиология растений (тесты) для студентов
специальностей: 020201 "Биология". – Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2008. – [Электронный
ресурс] URL: http://www.bsu.ru/content/page/1415/hecadem/bahanova_mv/cl_718/.
1.
2.
12