Тема 3. Тема 3

матеріал 10

Перетворення енергії у природі, медицині та біотехнологіях

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 039. Перетворення енергії у природі, медицині та біотехнологіях

Очікувані результати навчання

формулює самостійно або у співпраці з іншими проблему дослідження [12 ПРО 1.1.1]
формулює самостійно або у співпраці з іншими мету дослідження [12 ПРО 1.2.1]
формулює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими гіпотези відповідно до проблеми і мети дослідження, визначає завдання [12 ПРО 1.2.2]
добирає самостійно або у співпраці з іншими методи відповідно до мети і гіпотези дослідження [12 ПРО 1.3.1]
визначає самостійно або у співпраці з іншими етапи і складає план дослідження [12 ПРО 1.3.2]
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
опрацьовує та аналізує самостійно або у співпраці з іншими результати дослідження [12 ПРО 1.5.1]
формулює самостійно або у співпраці з іншими висновки за результатами досліджень та обґрунтовує їх [12 ПРО 1.5.2]
презентує самостійно або у співпраці з іншими результати дослідження в обраний спосіб [12 ПРО 1.5.3]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]

Мета уроку: сформувати в учнів розуміння процесів перетворення енергії в різних сферах – природних системах, медичних технологіях та біотехнологічних процесах. Розвивати вміння аналізувати приклади енергетичних перетворень, робити висновки щодо їх ролі у підтримці життя та розвитку сучасних технологій.

Очікувані результати для вчителя:

пояснюють основні види енергії та способи її перетворення у природних процесах;
наводять приклади використання енергетичних перетворень у медичних технологіях;
порівнюють різні види перетворень енергії та визначають їхню ефективність і доцільність у певних сферах;
аргументовано висловлюють думку щодо значення перетворення енергії для сталого розвитку та здоров’я людини;
розв’язують прості задачі або аналізують ситуації, пов’язані з перетворенням енергії у прикладних контекстах.

Очікувані результати для учнівства:

учні розуміють природу енергії та її види;
пояснюють приклади перетворення енергії в різних галузях;
аналізують приклади перетворення енергії: в коливних системах, пружних деформаціях, біотехнологіях та медицині;
мають уявлення про роль енергії у природних і техногенних процесах.

Ключові слова:

енергія
перетворення енергії
кінетична енергія
потенціальна енергія
теплова енергія
світлова енергія
хімічна енергія
фотосинтез
біоенергетика
енергоефективність

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Коливання кулі в жолобі
2.2. Стрибки на пружних ходулях (бокінг)
2.3. Біомеханіка м’язів людини
2.4. Перетворення енергії під час руху крові в організмі людини
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Проблемне питання

Чому серце можна вважати «біологічним двигуном»?

Джерело: https://gemini.google.com/

Відповідь:

Серце можна вважати «біологічним двигуном», оскільки воно безперервно перекачує кров по всьому організму, забезпечуючи клітини киснем і поживними речовинами. Подібно до двигуна, серце виконує ритмічну механічну роботу – скорочується і розслабляється, створюючи тиск, що рухає кров судинами.

Чому кров не перестає рухатися навіть між ударами серця?

Джерело: https://gemini.google.com/

Відповідь:

Кров не перестає рухатися між ударами серця завдяки перетворенню енергії серцевого скорочення в потенціальну енергію пружної деформації стінок артерій.

Під час систоли (скорочення серця) хімічна енергія, отримана з поживних речовин, перетворюється на механічну енергію скорочення м’язів серця, яка передається крові у вигляді кінетичної енергії руху та потенціальної енергії пружного розтягнення артеріальних стінок.

Між ударами серця (у діастолу), коли новий поштовх крові ще не надійшов, розтягнуті стінки артерій вивільняють накопичену потенціальну енергію, перетворюючи її назад у кінетичну енергію, що підтримує рух крові далі судинами.

Дружня порада вчителю

Запропонуйте питання, що покликані актуалізувати та поглибити знання учнів з біофізики кровообігу, застосування закону збереження енергії до біологічних систем, фізіології м’язів.

Актуалізуючі питання:

Як змінюється енергія при русі крові від серця до пальців ніг і назад?

У яких точках тіла потенціальна енергія крові найбільша?

Яке значення має пружність судин і залишкова енергія?

Як впливає втома м’язів на ефективність перетворення хімічної енергії в механічну?

Чому при виснаженні м’яз скорочується слабше?

Чим відрізняється енергетичний обмін у м’язах під час швидкого бігу та тривалого сидіння?

Чи можна вважати судинну систему «гідравлічним механізмом»?

Що спільного між роботою м’яза та пружиною?

Чи можна керувати витратами енергії в організмі свідомо?

Як виглядала б штучна система, що імітує кровообіг людини?

Ці питання спонукають до аналізу перетворень енергії під час руху крові, визначення точок найбільшої потенціальної енергії крові, розуміння значення пружності судин та залишкової енергії для кровотоку.

Посилання на відео джерела:

https://youtu.be/ykb6wvhroFs?feature=shared

Відео

https://youtu.be/GNvPFoH-uGU?feature=shared

Відео

https://youtu.be/nWuxR2v_FoE?feature=shared

Відео

2. Теоретичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 25 хв.

2.1. Коливання кулі в жолобі

Уявімо жолоб у формі параболічної або округлої поверхні (наприклад, частини циліндра або півкола), по якій вільно рухається куля без тертя. Якщо відхилити кулю від положення рівноваги і відпустити, вона почне коливатися з одного боку жолоба на інший (див. рис. 1).

Дружня порада вчителю

Поясніть і підкресліть постійність повної механічної енергії.

Точки A, B, C – ключові стани системи.

Зробіть акцент на відмінностях у висоті, швидкості й типах енергії в кожній точці.

Супроводжуйте пояснення стрілками або схемою перетворень.

Рис. 1 Перетворення енергії при русі кулі в жолобі

Джерело: https://chatgpt.com/

Дружня порада вчителю

Акцентуючі питання:

Як змінюється потенціальна енергія кулі, коли вона опускається в жолоб?

Коли кінетична енергія кулі є максимальною?

Чому в точці A швидкість кулі дорівнює нулю?

Як змінюється кінетична енергія під час руху від A до B?

Чому ми говоримо, що повна механічна енергія зберігається?

У який момент уся енергія кулі є потенціальною?

У який момент уся енергія є кінетичною?

Що відбувається з енергією під час руху кулі вгору до точки С?

Яке енергетичне перетворення відбувається від B до С?

Якщо кулю відпустити з більшої висоти, що зміниться в енергетичних величинах?

Що буде з енергіями, якщо жолоб має тертя?

Як можна перевірити збереження енергії у цьому експерименті?

Чи зміниться поведінка кулі, якщо вона важча? Чому?

Як виглядатиме графік зміни потенціальної та кінетичної енергії з часом?

Які реальні приклади подібного руху можна спостерігати у житті чи техніці?

Основні види енергії, що беруть участь:

потенціальна енергія (E_р) – залежить від висоти кулі над найнижчою точкою жолоба;
кінетична енергія (Eₖ) – залежить від швидкості кулі;
повна механічна енергія (E_мех): Eₖ+E_р (у системі без тертя зберігається).

Етап 1. Точка А – найвища точка відхилення:

висота h максимальна, швидкість v = 0;
E_р максимальна, Eₖ = 0;
E_мех = E_р (макс).

Уся енергія – потенціальна. Куля «готова» до руху вниз.

Етап 2. Від А до В – рух до положення стійкої рівноваги:

куля опускається вниз;
потенціальна енергія E_р зменшується, бо висота зменшується;
кінетична енергія Eₖ зростає, бо швидкість збільшується;
Eмех постійна, лише перетворюється з Eр →Eₖ.

Відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну.

Етап 3. Точка В – найнижча точка жолоба:

висота h = 0, швидкість v максимальна;
E_р = 0, Eₖ максимальна;
E_мех = Eₖ (макс).

Уся енергія – кінетична. Куля має найбільшу швидкість.

Етап 4. Від В до С – рух вгору до протилежної крайньої точки:

куля сповільнюється, підіймаючись;
кінетична енергія Eₖ зменшується, бо швидкість падає;
потенціальна енергія E_р зростає, бо висота зростає;
E_мех постійна, перетворення Eₖ → E_р.

Відбувається перетворення кінетичної енергії в потенціальну.

Етап 5. Точка С – нова крайня точка:

аналогічно точці A, тільки з іншого боку;
висота h максимальна, швидкість v = 0;
E_р максимальна, Eₖ = 0;
E_мех = E_р (макс).

Куля зупиняється на мить та починає нове коливання в зворотному напрямку.

Коливання повторюються симетрично (за умови ідеальної ситуації без тертя).

У реальних умовах частина енергії поступово втрачається на:

тертя об жолоб;
опір повітря.

Внаслідок цього повна механічна енергія зменшується, амплітуда коливань зменшується, і врешті-решт куля зупиняється.

2.2. Стрибки на пружних ходулях (бокінг)

Стрибки на пружних ходулях, або бокінг, є чудовим прикладом того, як у динаміці людини відбувається складне перетворення енергії, що включає як механічну, так і пружну компоненти (див. рис. 2).

Дружня порада вчителю

Учні мають розуміти відмінність між гравітаційною потенціальною енергією і потенціальною енергією пружної деформації.

Важливо простежити послідовність перетворення енергії:

пружна → кінетична → гравітаційна → кінетична → пружна.

Рис. 2 Перетворення енергії при стрибках на пружних ходулях

Джерело: https://chatgpt.com/

У бокінгу спортсмен використовує спеціальні пружні ходулі, в яких вбудовані елементи, що можуть деформуватися (наприклад, пружини або еластичні матеріали). Вони дозволяють перетворювати енергію, отриману під час ступань об поверхню, у збережену енергію пружного деформування, а потім відновлювати її у вигляді підйомної сили, допомагаючи виконувати високі стрибки.

Дружня порада вчителю

Акцентуючі питання:

Які основні види енергії беруть участь у стрибках на пружних ходулях?

Коли потенціальна енергія пружного деформування досягає максимуму?

У який момент кінетична енергія є максимальною?

Чому спортсмен «вистрілює» вгору після стискання пружин?

Чому енергія не зберігається повністю у реальних умовах?

Які чинники зменшують висоту стрибка з кожним наступним разом?

Що буде, якщо пружні елементи будуть занадто жорсткими?

Як зміниться стрибок, якщо спортсмен важчий?

Чому важливо, щоб спортсмен правильно координував рухи м’язів під час стискання пружин?

У які моменти відбуваються найбільші втрати енергії?

Що відбудеться з циклом, якщо не докладати додаткової м’язової сили?

У яких ще видах спорту або техніки використовується пружна енергія?

Основні види енергії, що беруть участь:

гравітаційна потенціальна енергія (E_р) – рівень цієї енергії залежить від висоти, на якій знаходиться спортсмен;
кінетична енергія (Eₖ) – енергія руху спортсмена, яка має максимальне значення під час проходження точки рівноваги (найнижчої точки);
потенціальна енергія пружного деформування (E_р) – енергія, що зберігається у пружних елементах ходуль. Коли пружина стискається або розтягується, частина кінетичної енергії перетворюється у потенціальну енергію пружності;
повна механічна енергія (E_мех): Eₖ+E_р (у системі без тертя зберігається).

Етап 1. Перед першим стрибком відбувається стиснення пружин за рахунок м’язової дії людини. Кінетична енергія руху Eₖ активно поглинається пружними елементами ходуль.

Етап 2. Коли стиск досягає максимального рівня, пружини починають відновлювати свою первинну форму. При цьому енергія пружного деформування E_р перетворюється знову в кінетичну енергію Eₖ.

Етап 3. Сила, що виникає під час відновлення форми пружин, дозволяє спортсмену швидко підніматися вгору. При цьому частина кінетичної енергії Eₖ переходить у гравітаційну потенціальну енергію E_р, коли спортсмен піднімається на максимальну висоту.

Таким чином, цикл переходу енергії від енергії пружного деформування до кінетичної і далі до гравітаційної потенціальної енергії повторюється кожного разу під час виконання стрибка.

Етап 4. Далі спортсмен опускається і, відповідно, потенціальна енергія E_р перетворюється в кінетичну Eₖ, яка досягає максимального значення перед ударом об землю.

Етап 5. При посадці кінетична енергія Eₖ переходить у енергію пружного деформування E_р.

У ідеальних умовах без втрат (наприклад, через внутрішнє тертя в пружинах чи зовнішній опір повітря) сумарна механічна енергія зберігається.

Дружня порада вчителю

Для формування реалістичного уявлення про енергетичні процеси – механічна енергія не зберігається абсолютно.

Поясніть, що спортсмен має щоразу «підживлювати» систему.

Попросіть учнів навести приклади втрат і пояснити їх наслідки (менша висота стрибка тощо).

У реальних умовах частина енергії переходить у тепло через:

внутрішнє тертя в матеріалі пружин;
опір повітря;
мікроскопічні деформації тканин ходуль.

Це призводить до поступового зниження висоти стрибків, якщо додаткової роботи (від спортсмена) не докладати.

2.3. Біомеханіка м’язів людини

Робота м’яза – чудовий приклад біомеханічного процесу, де енергія в тілі людини перетворюється з хімічної у механічну (див. рис. 3). Нижче наведено поетапне пояснення перетворення енергії під час роботи м’язів, наприклад, коли людина піднімає вантаж рукою (згинання в лікті).

Дружня порада вчителю

Біомеханіка в дії – це фізичні закони, які працюють у тілі людини.

Перетворення енергії відбувається в кілька етапів – від нервового імпульсу до руху.

Рис. 3 Перетворення енергії при роботі м’яза людини

Джерело: https://chatgpt.com/

Дружня порада вчителю

Початкова енергія – хімічна (АТФ). М’яз без АТФ – як мотор без пального.

Основні види енергії, що беруть участь:

хімічна енергія – молекули АТФ у м’язових клітинах;
потенціальна енергія – вантаж піднімається на певну висоту;
кінетична енергія – рух руки з вантажем з певною швидкістю;
теплова енергія – частина енергії розсіюється у вигляді тепла.

Дружня порада вчителю

Акцентуючі питання:

Яке джерело енергії запускає скорочення м’яза?

Коли у вантажу з’являється потенціальна енергія?

У який момент вантаж має найбільшу кінетичну енергію?

Чому при утриманні вантажу м’яз витрачає енергію, хоча робота дорівнює 0?

Яке перетворення енергії відбувається під час опускання вантажу?

Які втрати енергії знижують ефективність м’язової роботи?

Чи можна сказати, що всі м’язи працюють з однаковим ККД?

Як би змінилося наше тіло, якби ККД м’язів був 100 %?

Етап 1. Активація м’яза (початок дії):

нервовий імпульс надходить до м’яза;
у м’язових волокнах запускається реакція розщеплення АТФ;
хімічна енергія зв’язків молекули АТФ перетворюється на механічну роботу скорочення м’язових волокон.

Етап 2. Скорочення м’яза та рух:

м’яз (наприклад, біцепс) скорочується;
м’яз передає механічну енергію кісткам, які здійснюють механічну роботу.

Етап 3. Підняття вантажу:

рука піднімає вантаж і він набуває кінетичної енергії (рухається вгору);
зі зростанням висоти вантажу над нульовим рівнем збільшується його потенціальна енергія (у полі тяжіння);

Вся робота виконується за рахунок енергії скорочення м’яза, яка походить із хімічної енергії АТФ.

Етап 4. Утримання вантажу:

якщо м’яз утримує вантаж на місці (рука не рухається) – механічна робота нульова;
але м’яз все одно споживає АТФ – утворюється теплова енергія;

Дружня порада вчителю

Важливо показати, що м’яз витрачає енергію навіть без руху.

Це приклад ситуації, де хімічна енергія витрачається без переміщення, тобто на напруження м’яза.

Етап 5. Опускання вантажу:

м’яз повільно розтягується, вантаж втрачає потенціальну енергію, яка перетворюється в кінетичну та теплову;
м’яз гальмує рух – частина енергії поглинається та розсіюється як тепло.

ККД м’язів людини ≈ 20–25 %. Тобто лише чверть хімічної енергії АТФ переходить у корисну механічну роботу – решта розсіюється як тепло. Саме тому тіло людини нагрівається під час інтенсивної м’язової роботи – організм перетворює багато енергії в теплову.

Дружня порада вчителю

Запропонуйте учням знайти подібні приклади з повсякденного життя (спортивні рухи, робота тощо).

Навіть робота серця – це фізичний процес, що керується біохімією.

Опишіть разом з учнями схему перетворення енергії: хімічна → механічна → кінетична + потенційна → теплова.

2.4. Перетворення енергії під час руху крові

Перетворення енергії під час руху крові в організмі людини – це складний біофізичний процес, у якому задіяні кілька форм енергії. Основне – серцевий м’яз, який перекачує кров по судинах (див. рис. 4).

Рис. 4 Перетворення енергії під час руху крові

Джерело: https://chatgpt.com/

Дружня порада вчителю

Скорочення міокарда неможливе без АТФ – це основа живлення серцевого насоса.

Використайте приклад водогону: серце – насос, судини – труби, кров – рідина з енергією.

Акцентуючі питання:

Яке перетворення енергії відбувається при скороченні серцевого м’яза?

Що саме виштовхує кров у судини?

Яку енергію отримує кров при виході з серця?

Як створюється тиск у судинах?

Як висота розташування тіла впливає на потенціальну енергію крові?

Що стається з енергією, коли кров проходить капіляри?

Якби не було втрат енергії, чи потрібне було б серцю так часто скорочуватись?

Чому для венозного повернення недостатньо лише кінетичної енергії?

У якому вигляді енергія в крові найбільша в аорті?

Чому при підвищенні артеріального тиску в тілі виникає додаткове навантаження?

Як працюють клапани у венах з точки зору механіки?

Основні види енергії, що беруть участь:

хімічна енергія – молекули АТФ у клітинах серцевого м’яза;
потенціальна енергія – тиск крові в різних частинах судинної системи (гравітація, висота);
кінетична енергія – рух крові по артеріях та венах;
теплова енергія – частина енергії розсіюється у вигляді тепла.

Етап 1. Розщеплення АТФ у серцевому м’язі:

у кардіоміоцитах (м’язових клітинах серця) розщеплюється АТФ – хімічна енергія перетворюється на механічну роботу серцевого м’язу;

Етап 2. Робота серця:

міокард скорочується – серце виштовхує кров у великі артерії.
кров отримує кінетичну енергію руху, створюється потенціал тиску – внаслідок цього кров тече по тілу;
стінки артерій розтягуються, накопичуючи енергію деформації.

Етап 3. Пружне відновлення стінок артерій:

розтягнені артерії скорочуються назад як пружина – потенціальна енергія пружності перетворюється назад у кінетичну енергію крові.

Етап 4. Рух крові в судинах:

кров тече з ділянок вищого тиску до нижчого;
висота розташування (наприклад, від голови до ніг) впливає на потенціальну енергію крові;
у капілярах швидкість зменшується, частина енергії витрачається на тертя – утворюється тепло;

Етап 5. Повернення венозної крові:

у венах кров рухається повільніше, використовуючи залишкову кінетичну енергію, та за рахунок тиску від скорочення артерій.

3. Практичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 10 хв.

Підготовка до демонстрації:

Наповніть миску водою.

Занурте шприц у воду та повністю наберіть.

Підготуйте дві трубки – одна еластична, а інша жорстка.

Закріпіть лінійку або наклейте папір з розміткою довжини на парту.

Визначте групу учнів-спостерігачів: один – експериментатор, інший – спостерігач (фіксує та записує дані).

(Демонстраційний експеримент)

«Пружність судин і енергія кровообігу»

Мета: продемонструвати роль пружності артерій у збереженні та передачі енергії.

Матеріали:

дві трубки однакового діаметра та довжини: гумова еластична (ПВХ) та жорстка пластикова
пластиковий шприц без голки
миска з водою
секундомір
лінійка

Інструкція:

Етап 1. Моделювання скорочення серця:

Наповніть шприц водою.
Під’єднайте до нього гнучку гумову трубку.
Швидко натисніть на поршень – вода потече через трубку.
Повторіть те саме з жорсткою трубкою.

В якій трубці вода рухається довше:

Відповідь:

гнучка трубка накопичує пружну потенціальну енергію, забезпечуючи триваліший рух води.

Заповніть таблицю

Етап 2. Порівняння ефективності «судин»:

Розмістіть трубки на аркуші з розміткою довжини.
Заміряйте дальність руху води в кожній трубці після кожного натискання.
Повторіть 3-5 разів та обчисліть середнє значення.

В якій трубці вода рухається далі:

Відповідь:

Вода в гнучкій трубці проходить далі завдяки еластичності – пружній енергії.

Заповніть таблицю

Етап 3. Обговорення результатів:

Чому артерії мають бути пружними, а не жорсткими?

Відповідь:

Пружні артерії здатні розтягуватись під час скорочення серця та зберігати частину механічної енергії у вигляді потенціальної пружної енергії.

Після скорочення серця артерії повертаються до початкової форми, поступово виштовхуючи кров далі навіть тоді, коли серце розслаблене.

Це забезпечує безперервний, плавний потік крові і зменшує навантаження на серце.

Які форми енергії перетворюються під час досліду?

Відповідь:

Механічна енергія натискання на шприц (імітуючи роботу серця) → кінетична енергія руху води трубкою → у гнучкій трубці частина енергії перетворюється на потенціальну енергію пружного деформування, яка згодом знову переходить у кінетичну.

Також під час тертя всередині трубки частина енергії розсіюється як теплова енергія.

Таблиця результатів:

Тип трубки	Середній час руху після натискання (с)	Середня відстань руху води (см)	Висновок про ефективність

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада вчителю

Тривалість до 5 хв.

Міні-дослід: «Скільки енергії витрачає твоє серце за хвилину?»

Для активізації уваги наочно порівняйте отриману енергію з енергією, яку витрачає електрична лампочка – наприклад, 1 Вт = 1 Дж/с).

За бажанням можна провести ще раз вимірювання після фізичної активності (10 присідань) – пульс зросте, енергія збільшиться.

Міні-дослід: «Скільки енергії витрачає твоє серце за хвилину?»

Мета: розрахувати енерговитрати серця за одиницю часу.

Обладнання:

секундомір або таймер (на телефоні)
ручка та калькулятор

Хід роботи:

Знайди свій пульс – поклади два пальці на зап’ястя або шию (не натискай сильно).
Запусти секундомір і порахуйте кількість ударів серця за 1 хвилину (60 секунд).
Запиши свій пульс (n): n = ___________ скорочень за 1 хв
Відомо, що за одне скорочення серце витрачає в середньому 1 Дж енергії.

Розрахуй енергію, яку витрачає твоє серце за хвилину: E = n × 1 Дж

E = ___________ Дж

Висновок:

Як зміниться витрачена енергія, якщо пульс підвищиться?

Що це каже про роботу серця під час навантаження?

5. Рефлексія

Дружня порада вчителю

Тривалість до 2 хв.

Заохочуйте учнів бути чесними та відвертими у своїх роздумах.

«5 балів»

Оціни від 1 до 5 балів тезиси:

«Я можу навести приклад перетворення енергії в організмі людини»

Твій бал _________

«Я вмію застосовувати поняття енергії на прикладі роботи м’язів і серця»

Твій бал _________

«Мені було цікаво виконувати досліди»

Твій бал _________

У вільний від відпочинку час

Дружня порада вчителю

Запропонуйте учням творче завдання, яке розвиває вміння аналізувати джерела інформації (етикетки, сайти, таблиці харчової цінності), формує навички усвідомленого вибору продуктів харчування та стимулює письмову рефлексію.

Напиши міні твір-роздум (6-10 речень) на тему «Яку енергію дає їжа, яку я зазвичай споживаю?».

Для цього знайди в Інтернеті або на етикетці продуктів інформацію про:

кількість калорій (кДж або ккал) у твоїх улюблених продуктах;
яку енергію вони дають організму (енергія вуглеводів, жирів, білків).

Подумай:

які продукти дають багато енергії, а які – мало;
як це пов’язано з твоєю фізичною активністю;
чому важливо знати енергетичну цінність їжі.

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 039. Перетворення енергії у природі, медицині та біотехнологіях

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

учні розуміють природу енергії та її види;
пояснюють приклади перетворення енергії в різних галузях;
аналізують приклади перетворення енергії: в коливних системах, пружних деформаціях, біотехнологіях та медицині;
мають уявлення про роль енергії у природних і техногенних процесах.

Ключові слова:

енергія
перетворення енергії
кінетична енергія
потенціальна енергія
теплова енергія
світлова енергія
хімічна енергія
фотосинтез
біоенергетика
енергоефективність

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Коливання кулі в жолобі
2.2. Стрибки на пружних ходулях (бокінг)
2.3. Біомеханіка м’язів людини
2.4. Перетворення енергії під час руху крові в організмі людини
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Проблемне питання

Чому серце можна вважати «біологічним двигуном»?

Джерело: https://gemini.google.com/

Чому кров не перестає рухатися навіть між ударами серця?

Джерело: https://gemini.google.com/

Посилання на відео джерела:

https://youtu.be/ykb6wvhroFs?feature=shared

Відео

https://youtu.be/GNvPFoH-uGU?feature=shared

Відео

https://youtu.be/nWuxR2v_FoE?feature=shared

Відео

2. Теоретичний блок

2.1. Коливання кулі в жолобі

Джерело: https://chatgpt.com/

Основні види енергії, що беруть участь:

потенціальна енергія (E_р) – залежить від висоти кулі над найнижчою точкою жолоба;
кінетична енергія (Eₖ) – залежить від швидкості кулі;
повна механічна енергія (E_мех): Eₖ+E_р (у системі без тертя зберігається).

Етап 1. Точка А – найвища точка відхилення:

висота h максимальна, швидкість v = 0;
E_р максимальна, Eₖ = 0;
E_мех = E_р (макс).

Уся енергія – потенціальна. Куля «готова» до руху вниз.

Етап 2. Від А до В – рух до положення стійкої рівноваги:

куля опускається вниз;
потенціальна енергія E_р зменшується, бо висота зменшується;
кінетична енергія Eₖ зростає, бо швидкість збільшується;
Eмех постійна, лише перетворюється з Eр →Eₖ.

Відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну.

Етап 3. Точка В – найнижча точка жолоба:

висота h = 0, швидкість v максимальна;
E_р = 0, Eₖ максимальна;
E_мех = Eₖ (макс).

Уся енергія – кінетична. Куля має найбільшу швидкість.

Етап 4. Від В до С – рух вгору до протилежної крайньої точки:

куля сповільнюється, підіймаючись;
кінетична енергія Eₖ зменшується, бо швидкість падає;
потенціальна енергія E_р зростає, бо висота зростає;
E_мех постійна, перетворення Eₖ → E_р.

Відбувається перетворення кінетичної енергії в потенціальну.

Етап 5. Точка С – нова крайня точка:

аналогічно точці A, тільки з іншого боку;
висота h максимальна, швидкість v = 0;
E_р максимальна, Eₖ = 0;
E_мех = E_р (макс).

Куля зупиняється на мить та починає нове коливання в зворотному напрямку.

Коливання повторюються симетрично (за умови ідеальної ситуації без тертя).

У реальних умовах частина енергії поступово втрачається на:

тертя об жолоб;
опір повітря.

2.2. Стрибки на пружних ходулях (бокінг)

Джерело: https://chatgpt.com/

Основні види енергії, що беруть участь:

гравітаційна потенціальна енергія (E_р) – рівень цієї енергії залежить від висоти, на якій знаходиться спортсмен;
кінетична енергія (Eₖ) – енергія руху спортсмена, яка має максимальне значення під час проходження точки рівноваги (найнижчої точки);
потенціальна енергія пружного деформування (E_р) – енергія, що зберігається у пружних елементах ходуль. Коли пружина стискається або розтягується, частина кінетичної енергії перетворюється у потенціальну енергію пружності;
повна механічна енергія (E_мех): Eₖ+E_р (у системі без тертя зберігається).

Етап 5. При посадці кінетична енергія Eₖ переходить у енергію пружного деформування E_р.

У реальних умовах частина енергії переходить у тепло через:

внутрішнє тертя в матеріалі пружин;
опір повітря;
мікроскопічні деформації тканин ходуль.

Це призводить до поступового зниження висоти стрибків, якщо додаткової роботи (від спортсмена) не докладати.

2.3. Біомеханіка м’язів людини

Джерело: https://chatgpt.com/

Основні види енергії, що беруть участь:

хімічна енергія – молекули АТФ у м’язових клітинах;
потенціальна енергія – вантаж піднімається на певну висоту;
кінетична енергія – рух руки з вантажем з певною швидкістю;
теплова енергія – частина енергії розсіюється у вигляді тепла.

Етап 1. Активація м’яза (початок дії):

нервовий імпульс надходить до м’яза;
у м’язових волокнах запускається реакція розщеплення АТФ;
хімічна енергія зв’язків молекули АТФ перетворюється на механічну роботу скорочення м’язових волокон.

Етап 2. Скорочення м’яза та рух:

м’яз (наприклад, біцепс) скорочується;
м’яз передає механічну енергію кісткам, які здійснюють механічну роботу.

Етап 3. Підняття вантажу:

рука піднімає вантаж і він набуває кінетичної енергії (рухається вгору);
зі зростанням висоти вантажу над нульовим рівнем збільшується його потенціальна енергія (у полі тяжіння);

Вся робота виконується за рахунок енергії скорочення м’яза, яка походить із хімічної енергії АТФ.

Етап 4. Утримання вантажу:

якщо м’яз утримує вантаж на місці (рука не рухається) – механічна робота нульова;
але м’яз все одно споживає АТФ – утворюється теплова енергія;

Це приклад ситуації, де хімічна енергія витрачається без переміщення, тобто на напруження м’яза.

Етап 5. Опускання вантажу:

м’яз повільно розтягується, вантаж втрачає потенціальну енергію, яка перетворюється в кінетичну та теплову;
м’яз гальмує рух – частина енергії поглинається та розсіюється як тепло.

2.4. Перетворення енергії під час руху крові

Джерело: https://chatgpt.com/

Основні види енергії, що беруть участь:

хімічна енергія – молекули АТФ у клітинах серцевого м’яза;
потенціальна енергія – тиск крові в різних частинах судинної системи (гравітація, висота);
кінетична енергія – рух крові по артеріях та венах;
теплова енергія – частина енергії розсіюється у вигляді тепла.

Етап 1. Розщеплення АТФ у серцевому м’язі:

у кардіоміоцитах (м’язових клітинах серця) розщеплюється АТФ – хімічна енергія перетворюється на механічну роботу серцевого м’язу;

Етап 2. Робота серця:

міокард скорочується – серце виштовхує кров у великі артерії.
кров отримує кінетичну енергію руху, створюється потенціал тиску – внаслідок цього кров тече по тілу;
стінки артерій розтягуються, накопичуючи енергію деформації.

Етап 3. Пружне відновлення стінок артерій:

розтягнені артерії скорочуються назад як пружина – потенціальна енергія пружності перетворюється назад у кінетичну енергію крові.

Етап 4. Рух крові в судинах:

кров тече з ділянок вищого тиску до нижчого;
висота розташування (наприклад, від голови до ніг) впливає на потенціальну енергію крові;
у капілярах швидкість зменшується, частина енергії витрачається на тертя – утворюється тепло;

Етап 5. Повернення венозної крові:

у венах кров рухається повільніше, використовуючи залишкову кінетичну енергію, та за рахунок тиску від скорочення артерій.

3. Практичний блок

(Демонстраційний експеримент)

«Пружність судин і енергія кровообігу»

Мета: продемонструвати роль пружності артерій у збереженні та передачі енергії.

Матеріали:

дві трубки однакового діаметра та довжини: гумова еластична (ПВХ) та жорстка пластикова
пластиковий шприц без голки
миска з водою
секундомір
лінійка

Інструкція:

Етап 1. Моделювання скорочення серця:

Наповніть шприц водою.
Під’єднайте до нього гнучку гумову трубку.
Швидко натисніть на поршень – вода потече через трубку.
Повторіть те саме з жорсткою трубкою.

В якій трубці вода рухається довше:

Заповніть таблицю

Етап 2. Порівняння ефективності «судин»:

Розмістіть трубки на аркуші з розміткою довжини.
Заміряйте дальність руху води в кожній трубці після кожного натискання.
Повторіть 3-5 разів та обчисліть середнє значення.

В якій трубці вода рухається далі:

Заповніть таблицю

Етап 3. Обговорення результатів:

Чому артерії мають бути пружними, а не жорсткими?

Які форми енергії перетворюються під час досліду?

Таблиця результатів:

Тип трубки	Середній час руху після натискання (с)	Середня відстань руху води (см)	Висновок про ефективність

4. Попрактикуймо самостійно

Міні-дослід: «Скільки енергії витрачає твоє серце за хвилину?»

Мета: розрахувати енерговитрати серця за одиницю часу.

Обладнання:

секундомір або таймер (на телефоні)
ручка та калькулятор

Хід роботи:

Знайди свій пульс – поклади два пальці на зап’ястя або шию (не натискай сильно).
Запусти секундомір і порахуйте кількість ударів серця за 1 хвилину (60 секунд).
Запиши свій пульс (n): n = ___________ скорочень за 1 хв
Відомо, що за одне скорочення серце витрачає в середньому 1 Дж енергії.

Розрахуй енергію, яку витрачає твоє серце за хвилину: E = n × 1 Дж

E = ___________ Дж

Висновок:

Як зміниться витрачена енергія, якщо пульс підвищиться?

Що це каже про роботу серця під час навантаження?

5. Рефлексія

«5 балів»

Оціни від 1 до 5 балів тезиси:

«Я можу навести приклад перетворення енергії в організмі людини»

Твій бал _________

«Я вмію застосовувати поняття енергії на прикладі роботи м’язів і серця»

Твій бал _________

«Мені було цікаво виконувати досліди»

Твій бал _________

У вільний від відпочинку час

Напиши міні твір-роздум (6-10 речень) на тему «Яку енергію дає їжа, яку я зазвичай споживаю?».

Для цього знайди в Інтернеті або на етикетці продуктів інформацію про:

кількість калорій (кДж або ккал) у твоїх улюблених продуктах;
яку енергію вони дають організму (енергія вуглеводів, жирів, білків).

Подумай:

які продукти дають багато енергії, а які – мало;
як це пов’язано з твоєю фізичною активністю;
чому важливо знати енергетичну цінність їжі.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе