Учебный проект по физике "Периодичность жизни"

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования «Управление образования Североуральского городского округа» Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Учебный проект по физике ПЕРИОДИЧНОСТЬ ЖИЗНИ Исполнитель: Сапаева Валерия, учащаяся 10Б класса МБОУ СОШ №1 Руководитель: Леон енко Анна Николаевна, учитель физики высшей категории Североуральский городской округ 2013 Учебный проект по физике  "Периодичность жизни" «Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям» Р.Бишоп (специалист в области механики, профессор Лондонского университета) Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме): физика, интеграция с биологией,  астрономией, географией. Возраст учащихся: 10 класс. Тип проекта:  поисковый. Продукты проекта: презентация выполнена в программе Power Point. Основополагающий вопрос: Периодические процессы на Земле – случайность или  закономерность? ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ:  Существуют ли колебания и ритм в природе?  Какие периодические процессы происходят в неживой природе?  Какие периодические процессы происходят в живой природе? Проблемный вопрос: Существуют ли колебания и ритм в природе? Колебания и ритм в природе Колебания в природе обнаруживаются повсюду: свет, звук, морские волны, океанские   приливы   и   отливы,   смена   дня   и   ночи,   чередование   времен   года, цикличность   геологических   процессов,   ритмы   солнечной   активности   –   все   это различные   формы   периодических   движений.   Установлено,   что   даже   в   вакууме происходят   непрерывные   колебания   электромагнитного   поля,   появляются   и исчезают элементарные частицы. Колебания   –   повторяющийся   процесс   изменения   с   течением   времени значения   физической   величины   около   ее   среднего   значения.   Колебания характеризуются амплитудой, периодом, частотой и фазой. Различают   непериодические,   периодические   и   гармонические   колебания. Периодическими называют колебания, при которых происходит точное повторение процесса через равные промежутки времени или проще говоря ритм. Исключительное   богатство   ритмических   процессов   демонстрирует   живая природа. Дыхание, сердцебиение, ходьба – это лишь самые очевидные проявления биологических колебаний, за которыми скрыто огромное количество ритмических процессов.   Любая   функция,   любое   жизненное   отправление   ритмичны,   и   это справедливо не только по отношению к человеку, но и к любому живому существу, на какой ступени эволюции оно не находилось. Ритм – повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того   же   состояния   через   равные   промежутки   времени.  Нет   сомнений,  что   мир живет   по   закону   ритма.   В   1908г.   А.В.Клосовский   писал   о   «бесконечном разнообразии колебательных движений, которые пересекают мироздание во всех направлениях и к распространению которых сводится вся жизнь природы». Чем же объясняется универсальность колебательных процессов в природе? Почему все в мире подчинено закону ритма? В природе все изменчиво, текуче, динамично, но в то же время в ней есть и известное постоянство. На пути от рождения до смерти человек, будучи ребенком, юношей, старцем сохраняет свое собственное «я», всю жизнь, оставаясь одним и тем же лицом. Мы видим вокруг нас множество совершенно определённых предметов и явлений, жизнь которых изменяется  не только десятками, сотнями, но и тысячами лет, а если говорить об астрономических телах – планетах и звездах, то и неизмеримо большими сроками. В этом заключается постоянство окружающего мира, понятно, что оно условно, но вполне реально. Этим мир обязан ритму. Проблемный   вопрос:   Какие   периодические   процессы   происходят   в неживой природе? Периодические процессы в неживой природе Для   существования   жизни   на   Земле   наибольшее   значение   имеют   ритмы притока солнечной энергии, так как именно они в первую очередь определяют возможности существования организмов. В основе этих ритмов лежат особенности движения Земли как планеты, связанные с вращением ее вокруг своей оси и вокруг Солнца. Суточный приток солнечной энергии к земной поверхности, определяющий смену   дня   и   ночи,   обусловлен   24­часовыми   циклами   оборота   земли   вокруг собственной оси. В возникновении годовых ритмов основная роль принадлежит не просто вращению Земли вокруг Солнца, а наклону земной оси по отношению к плоскости   орбиты   (под   углом   в   660  33,).   Из­за   наклона   оси   суточный   приток солнечной   энергии   на   данный   участок   земной   поверхности   в   течении   года изменяется,   увеличиваясь   с   момента   зимнего   солнцестояния   (22   декабря   в северном и 22 июня в южном полушарии) до момента летнего солнцестояния (22 июня в северном и 22 декабря в южном полушарии), а затем уменьшаясь до дня зимнего   солнцестояния.   Возникающие   при   этом   сезонные   изменения температурного режима и длины дня имеют тем большую амплитуду, чем дальше от   экватора   находится   данный   участок.   Следствием   этого   является   и возникновение широтной зональности климата на Земле.  Суммарный   приток   солнечной   энергии   определяется   не   только продолжительностью   дня,   но   и   углом   падения   лучей.   С   увеличением   широты недостаток притока тепла из­за косого падения лучей компенсируется большей длиной дня в летний период. Благодаря этому лето на севере по термическому режиму мало отличается от аналогичного сезона на юге. Климатический контраст между севером и югом для зимнего периода по этой же причине увеличивается. Сезонные   ритмы   температуры,   связанные   с   распределением   солнечной энергии, усложняются процессами атмосферной циркуляции, вызывающими обмен воздушных масс в широтном и долготном направлениях. Исключительно велика роль этого фактора в увлажнении материков, особенно в тропической зоне, где сезонность   выпадения   осадков   является   важнейшей   причиной   климатических ритмов.  Помимо суточных и годовых ритмов, для природных условий характерны ритмы и с более длительными периодами (11, 22­23, 80­90, 1800 лет), причиной которых являются также солнечно­земные связи, в частности изменения солнечной активности.   Большое   влияние   на   условия   земного   существования   оказывают   и лунно­земные   связи,   наиболее   ярко   проявляющиеся   в   виде   смены   приливов   и отливов в морях и океанах. Наличие приливов послужило причиной возникновения соответствующих ритмических приспособлений у обитателей гидросферы. Известно, что во время морского прилива два раза в сутки вода поднимается у морских берегов, а затем вновь откатывается от берега. Но прилив существует не только на море, но и на суше. Два раза в сутки поверхность земли, на которой выстроены дома, улицы, дороги, поднимается и опускается. К примеру, в Москве амплитуда   этих   колебаний   составляет   приблизительно   0,5   м.   Мы   этого   не замечаем, но отчего это происходит? Как   известно,   результатом   действия   силы   на   тело   является   либо   его ускорение, если оно свободно и не взаимодействует с другими телами, либо его деформация, если такое взаимодействие существует. Притяжения луны и Солнца сообщают нашей планете ускорение, которое она имеет, совершая движение по орбите. Однако не все части планеты испытывают одинаковое притяжение. Максимальное притяжение Луной испытывают те части Земли, для которых она   находится   строго   в   зените,   а   минимальное   –   в   надире.   Центр   масс   Земли находится   в   промежуточном   положении.   Результатирующая   сила   притяжения планеты приложена к центру масс. Она сообщает Земле поступательное ускорение. Можно подсчитать, что на луне приливной горб, вызванный притяжением Земли и направленный в ее сторону, будет равен 13 м.  Все наблюдаемые приливные явления делятся на полусуточные, суточные и долгопериодические.  Под  действием   приливных  сил  отдельные  регионы  земной поверхности   растягиваются,  другие  –   сжимаются.   Величину   таких   деформаций можно   измерить   с   помощью   приборов,   которые   называются   экстенсометрами (деформографами). Положение Земли на околосолнечной орбите, лунные и солнечные приливы, прямые воздействия других планет, влияние тех же планет на обращение Солнца вокруг   центра   инерции   Солнечной   системы   –   эти   факторы   способствуют изменению климата на Земле. Выделяют четыре группы климатических циклов: короткие (от года до десятков лет), межвековые (от сотен до нескольких тысяч лет), ледниковые (от десятков до сотен тысяч лет) и геологические (от сотен тысяч до миллионов лет). Самый   известный   из   климатических   циклов  –  годовой,   когда   происходит перераспределение масс воздуха над океанами и континентами. Но существует и квазидвухлетний   с   периодом   2,38   года   –   цикл   колебаний   атмосферной циркуляции. Он наиболее ярко выражается в виде смены направлений ветров в экваториальной стратосфере, но заметен и в других метеорологических явлениях. Квазипятилетний   цикл   проявляется   в   виде   повторения   явления   Эль­Ниньо, мощного стихийного бедствия в восточной половине экваториальной зоны Тихого океана  и прилегающих  южных  широтах.  В  самом  длинном  из  коротких  циклов (около   60   лет)   приблизительно   повторяется   взаимное   расположение   Солнца, Юпитера и Сатурна. При анализе средних годичных значений глобальной температуры воздуха видно   довольно   резкое   потепление   в   первой   трети   ХХ   века,   затем   небольшое похолодание во второй трети и новое потепление в последней трети – в настоящее время, по­видимому, уже завершающееся. Прогноз погоды на нынешнее столетие, составленный   на   основе   анализа   коротких   климатических   циклов,   не   сулит глобальных климатических катастроф. Для   выявления   межвековых   климатических   циклов   ученые   пользуются дендрохронологическими   рядами   (последовательность   годичных   слоев древесины),   используют   породы   с   годичной   слоистостью   или   пробу   морских осадков. Самый выразительный из этих циклов имеет длительность порядка 1,5 тысячи лет.   Возможно, именно он создавал известные по историческим данным межвековые колебания климата — климатический оптимум голоцена 4­2,5 тысяч лет   до   н.   э.,   средневековый   оптимум   («эпоха   викингов»)   X­XIV   вв.,   «малый ледниковый период» XVI­XIX вв. и, наконец, потепление ХХ столетия. Наиболее   выдающимися   явлениями   в   истории   климата   были   ледниковые климатические циклы последней трети плейстоцена, во время которых континенты прогибались   под   грандиозными   ледниковыми   щитами   толщиной   порядка   трех километров. Изучение ледниковых морен, оставшихся от этих щитов, позволили выделить   четыре   последних   цикла   и   определить,   что   каждый   из   них   длился порядка   100   тысяч   лет.   По­видимому,   ледниковые   циклы   возникают   из­за возмущений   орбитального   движения   Земли   в   Солнечной   системе,   создаваемых гравитационными взаимодействиями с другими планетами. Эволюцию   климата   в   позднем   плейстоцене   лучше   всего   исследовать, анализируя   содержание   дейтерия   в   ледяном   керне   с   антарктической   станции «Восток». Там пробурена скважина глубиной 3623 м и достигнут лед, которому 427 тыс.лет. Изучая антарктические льды, московские климатологи установили, что   парниковый   эффект   на   самом   деле   не   причина,   а   следствие   потепления (парниковый   газ   выделяется   в   атмосферу   при   повышении   температуры,   когда падает его растворимость в морской воде).   Проблемный   вопрос:   Какие   периодические   процессы   происходят   в   живой природе? Периодические процессы в живой природе Система ритмов в живом организме многоярусна. На нижнем ярусе – ритмы клеточные   и   субклеточные.   Из   них   складываются   более   сложные   ритмы   – тканевые,   которые   служат   основой   для   ритмической   деятельности   органов. Ритмично   работают   органы   кровообращения,   дыхания,   эндокринные   железы, нервная система и другие органы. При работе сердца периодически происходит сокращение мускулатуры сердца и ее расслабление. Периодичность работы сердца отражает его электрокардиограмма.   Один «порядок» в природе порождает другой. Ритмичная работа органов обусловливает ритмичность деятельности организма в целом, его суточный ритм, а он, в свою очередь, обусловлен периодическим движением Земли вокруг своей оси. Время   нашего   сна,   бодрствования,   принятия   пищи,   подъем   и   спад работоспособности определяются вращением Земли вокруг оси. Каждый   организм   подчиняется   еще   и   сезонной   периодичности.   Период, благоприятствующий развитию живых организмов в нашей географической зоне, продолжается   примерно   около   шести   месяцев.   Растения   бурно   развиваются   до середины   лета.   В   середине   лета   рост   растений   замедляется   или   полностью прекращается.   Вторая   половина   лета   –   период   созревания   плодов   у   растений, накопления в их тканях питательных веществ. Растения активно готовятся к зиме. Свойство теплокровности, присущее высшим позвоночным (млекопитающие и птицы), сделало их в известной мере независимыми от температурных условий окружающей   среды,   позволило   оставаться   на   зиму   в   тех   же   местах,   где   они обитали летом, и переживать зимний период в деятельном состоянии. Этому же способствуют   адаптации,   направленные   на   сокращение   неизбежных   зимой тепловых потерь, с одной стороны, и восстановление энергетического баланса – с другой (например, развитие подкожного жирового слоя и специального зимнего оперения и меха, переход к обитанию под снежным покровом). Характерной формой сезонных адаптаций являются миграции, т.е. сезонные перемещения,   помогающие   животным   избегать   неблагоприятных   последствий наступления   зимы   (преимущественно   из­за   ухудшения   кормовых   условий). Наиболее   выражены   эти   адаптации   у   птиц,   осенний   отлет   и   весенний   прилет которых   представляют   неотъемлемые   части   природных   явлений   в  умеренной   и северной зонах. Выраженность миграции зависит от степени сезонных колебаний условий среды. Явление   сезонных   миграций   известно   также   у   летучих   мышей,   а   среди беспозвоночных – у некоторых бабочек (в частности, у американских данаид), т.е. у   тех   организмов,   органы   передвижения   которых   обеспечивают   преодоление больших расстояний. Важную   форму   сезонных   адаптаций   представляет   возникновение покоящихся стадий, обладающих повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям.   В   умеренных   широтах   состояние   покоя   является   обычно приспособлением к переживанию зимнего периода с низкими температурами, а в тропиках – к переживанию летнего периода с засухами. У   насекомых   основной   адаптацией   такого   типа   является   диапауза,   т.е. сезонная задержка или остановка их роста и развития. Чередование активности и покоя   у   многих   организмов   касается   преимущественно   функции   размножения, благодаря   чему   появление   потомства   у   животных   и   плодоношение   у   растений приурочивается к определенному времени года. Важнейшим   условием   синхронизации   сезонного   развития   животных   и растений со сменой времен года является наличие способности ориентироваться во времени. В основе этого лежит реакция организмов на факторы сигнального характера.   В   качестве   ориентира,   сигнализирующего   о   предстоящих   сезонных изменениях, для большинства организмов служит длина светового дня.   Важной причиной, почему фотопериодический фактор мог быть использован с этой целью организмами, является устойчивость и астрономическая точность его изменений в течении года. Будучи исходной причиной сезонности климата, этот фактор стал и регулятором сезонных циклов жизнедеятельности организмов. Явление фотопериодизма, т.е. реакции живых организмов на длину дня, было впервые открыто у растений американскими биологами У.Гарнером и Г.Аллардом в  1920г.  Вскоре   это   явление   было   обнаружено   у   насекомых   и   позвоночных.  В настоящее время установлено, что фотопериодизм – это общее приспособление, регулирующее  сезонные  явления (сроки размножения, развития  и подготовки  к зиме) у самых разных организмов. К   примеру,   для   птиц   выяснено,   что   их   миграции   определяются   не таинственным   «инстинктом   перелета».   Именно   фотопериодические   реакции помогают   птицам,   находящимся   на   зимовьях,  определять   время   возвращения   в места, расположенные за многие тысячи километров. Длиной дня определяются возникновение или снятие диапаузы у насекомых, переход к состоянию покоя и выхода из него у растений. Для всех адаптаций, основывающихся на фотопериодической реакции, т.е. на использовании для временной ориентации внешнего сигнала – длины дня, общим является   способность   живых   организмов   «сопоставлять»   и   количественно «сравнивать» длительность светлого и темного периода суток. Основным   датчиком   времени   для   животных   и   человека   является   смена темноты и света за 24 часа. При переводе стрелок на «летнее» время на 1 час приспособление   внутренних   «часов»   происходит   примерно   за   5­7   дней,   при перелетах через часовые пояса это займет большее время. При этом возникает десинхроноз,   который   проявляется   в   изменении   артериального   давления, нарушении сна, отсутствии аппетита, плохом самочувствии и т.д. Интересны эксперименты, которые проводились многими людьми: человек длительное время находился  в глубокой пещере, где не мог видеть смену дня и ночи.   Ритм   человека   зависел   от   личного   восприятия   времени:   ел,   спал   и просыпался, когда хотел сам, не зависел от людей, общественных обязанностей, врожденных привычек. К концу опыта оказывалось, что цикл в условиях полной изоляции   в   среднем   составлял   24­26   часов.   Суточный   цикл   свойственен   всему живому. Заключение Таким   образом,   можно   сказать,   что   периодические   процессы   на   Земле   – закономерность,   а   не   случайность.   Они   широко   распространены   в   природе. Особенно   многочисленны   примеры   периодических   процессов   в   живой   природе, потому   что   ритм   является   формой   существования   всего   живого.   Нарушение какого­то ритма ­ признак нарушения жизнедеятельности организма.  При   работе   над   проектом   я   узнала,   что   периодические   процессы присутствуют как в неживой так и в живой природе и между ними существует взаимосвязь. Ритмичная работа органов обусловливает ритмичную деятельность всего организма, его суточный ритм, определяемый в свою очередь периодическим движением   Земли   вокруг   своей   оси.   Каждому   организму   свойственна   также сезонная периодичность, связанная с движением Земли вокруг Солнца и наклоном оси   вращения   Земли   к   плоскости   земной   орбиты.   Протяжённость   дня   и   ночи, зависящая от положения Земли относительно Солнца; весна, лето, осень и зима, наступающие   в   связи   с   периодическим   движением   Земли   вокруг   Солнца, обусловливают различия в жизнедеятельности представителей флоры и фауны в течение суток и на протяжении года.  Во время работы над проектом я столкнулась с такими трудностями, как ограниченность литературы по данному вопросу. Так же очень мало информации о проводимых в данное время исследований в этом направлении. Работая   над   проектом,   я   научилась   находить   необходимые   сведения   и информацию   на   интересующие   вопросы,   обобщать   эту   информацию   и   делать выводы, работать над созданием презентации.  Я   считаю,   что   знания,  полученные   при   создании   проекта,   помогут   мне   в изучении окружающего мира и человека, взаимосвязи живой и неживой природы и процессов, происходящих вокруг нас. Ресурсы:  Павленко   Н.И.,   Рохлов   В.С.,   Демидова   М.Ю.   Периодические   процессы   в природе –Интеграция. – 2008  http://ru.wikipedia.org – сайт «Википедия»  http://www.rae.ru.use – сайт «Успехи современного естествознания»  http://helpschool.info – сайт «Помощь школьнику»