Интегрированный урок (биология + физика) по теме «Звуковая сигнализация в жизни животных»
план-конспект урока (физика, 10 класс) по теме

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Вечерняя (сменная) общеобразовательная школа № 4»

Артемовского городского округа

Интегрированный урок

(биология  + физика)

по теме «Звуковая сигнализация в жизни животных»

Т.Г. Селиванова, учитель физики

Л.В. Выдренок, учитель биологии

Артемовский городской округ

2013 – 2014 уч. год

Цель урока: познакомить учащихся с новой для них наукой – биоакустикой; рассмотреть способы воспроизведения звуков в животном мире; выявить целесообразность строения органов слуха у различных животных; повторить знания по теме «Звуковые волны».

Оборудование: магнитофон, запись голосов различных животных, плакат «Строение уха», фотографии животных. Звуковой генератор, камертон, молоточек.

Подготовка к уроку: на доске записана тема урока, план урока, высказывания – эпиграфы к уроку.

«Постижение языка животных – это древняя, как само человечество, мечта»

К. Фабри

«Задача сохранения животных требует их понимания»

Н. Тинберген

План урока:

1. Введение
2. Практическая работа «Значение звуковой сигнализации»
3. История биоакустики
4. Звук и его характеристика
5. Кто как говорит?
6. Кто как слышит?
7. Вывод по уроку.

Ход урока

1. Вступительное слово учителя.

(Учитель физики) Тема сегодняшнего урока “Звуковая сигнализация в жизни животных”. Урок интегрированный, т.к. сегодня мы поговорим о биоакустике, а это комплексная наука, объединяющая знания по биологии и физике. Работать будем по плану, приведенному на доске.

В сказках звери разговаривают. Вспомните, хотя бы “Маугли” Киплинга или “Сказку о золотой рыбке” Пушкина. И малышам не кажется странным, что золотая рыбка, лиса, медведь или лягушка умеют говорить. В сказках и сам человек разговаривает с животными. В этом проявляется вековая мечта человека научиться понимать язык животных.

Причина этих мечтаний понятна. Миллион лет человек очень тесно соприкасается с животными, слишком велика его зависимость от них: ведь животные - это и вкусная и питательная еда, и одежда, и всевозможные предметы обихода, наконец, животные - это и смертельные враги.

Выследить и добыть зверя на охоте, избежать его клыков, сделать из зверей помощников, приручив их, - все это требует глубокого понимания поведения животных.

Сегодня, когда цивилизация все больше отделяет нас от живой природы, когда “все меньше становится природы, а все больше окружающей среды”, мы как-то особенно начинаем ощущать ее недостаток, стремимся к изучению знаков живого.

Термин “язык животных” биологи долгое время писали в кавычках, но сейчас признали правомерность этого понятия для обозначения способности животных общаться друг с другом.

Язык животных - сложное понятие. Важную роль в обмене информацией между животными играет язык поз и телодвижений. Вспомните оскаленную пасть хищника или, наоборот, брачный танец журавля. Важен для них и язык запахов. Но звуковой язык имеет для животных совершенно особое значение, ведь он позволяет животным общаться, не видя друг друга (например, в полной темноте) и на далеком расстоянии.

Звук – к тому же “оружие дальнобойное”. Крики врановых слышны в километре от них, крокодилы слышат друг друга на расстоянии 1,5 км, львы – 2,5 км. Но рекорд дальности поставили горбатые киты: они слышат друг друга на расстоянии несколько сотен миль.

2. “Значение звуковой сигнализации”. Практическая работа с оформлением таблицы в тетради.

(Учитель биологии) А теперь мы предлагаем вам послушать голоса животных, записанные в разных уголках нашей планеты. Может быть, кого-нибудь узнаете? И подумайте, какое значение могут иметь звуковые сигналы. (Звучит запись) Результаты работы оформляются в таблице:

Вывод: Итак, давайте подведем итог. Значение звуковой сигнализации для животных:

1. Внутривидовое общение:

а) между представителями разных полов одного вида в период размножения (поиск полового партнера или борьба с соперником за возможность спаривания);

б) забота о потомстве (поиск пищи, сигналы опасности);

Пример с курами: Со своим потомством курица общается в основном с помощью звуковых сигналов. Например, в одном из опытов было обнаружено, что курица не приходит на помощь цыпленку, видя его в затруднительном положении, если тот находится под звуконепроницаемым стеклянным колпаком. И цыплята, и взрослые птицы издают около 20 различных звуковых сигналов и могут с помощью звуков выражать удовольствие, страх, испуг, угрозу, торжество. При этом из 20 сигналов, которыми пользуются куры, 7 сигналов уточняют характер опасности.

в) у общественных животных совместный поиск пищи, коллективная защита;

г) мечение территории.

2. Межвидовое общение:

а) жертвам дает возможность избежать нападения хищника, а хищнику – ее обнаружить;

б) взаимодействие между конкурирующими видами.

3. История биоакустики

(Рассказывает учитель биологии) Две с половиной тысячи лет назад греческий мыслитель и математик Пифагор (вы ведь знаете его теорему) приступил к первым в мире акустическим опытам. Пифагор умер. Шло столетие за столетием, а наука о звуке, начало которой он заложил, остановилась. Ни одного эксперимента до 1638 года, когда дело Пифагора продолжил Галилео Галилей. И вот наступило девятнадцатое столетие. Выходят в свет классические работы по акустике немецкого ученого Германа Гельмгольца.

Вряд ли на свете найдется много наук, которые могли бы похвастаться своим днем и местом рождения. Возникновение большинства наук теряется в глубине веков. Другое дело – биоакустика. Мы можем точно сказать, что родилась она в 1956 году в Пенсильвании (США), именно туда съехались ученые из разных стран на первый биоакустический конгресс, где был выдан официальный паспорт этой новой науке.

Сегодня мы говорим о биоакустике, а это комплексная наука, объединяющая знания по биологии и физике. Акустика – наука о звуках, а биоакустика – изучает всевозможные существующие в природе способы звуковой связи между живыми существами. Биоакустика интересует и объединяет не только биологов и физиков, но и лингвистов, психологов, инженеров и многих других специалистов.

Фонотеки многих научных центров по биоакустике содержат десятки тысяч записей голосов разных животных. Коллекционирование голосов животных имеет большое научное и практическое значение. Например, многие птицы и насекомые, не отличимые внешне, хорошо различаются по голосам, и по этому признаку их удается выделить в самостоятельные биологические виды.

Транслируя призывные сигналы, можно заманивать рыб или насекомых в ловушки, а если включать сигналы угрозы, то отпугивать животных с нежелательных мест их присутствия.

Например: на севере в поселки часто наведываются медведи, чтобы порыться в мусорных кучах в поисках пропитания. Чтобы избавиться от непрошенных гостей, свирепое рычание двух дерущихся медведей записали на магнитофон и воспроизвели через громкоговорители в одном из поселков. Нахальные гости в страхе ретировались и надолго забыли туда дорогу.

Особенность птиц реагировать на звуки используют при охране аэродромов. Ведь пернатые стали настоящим бедствием для них. Птицы часто попадают в воздухозаборники двигателей реактивных самолетов, ударяются в лобовые стекла и вызывают аварии. Поэтому их стараются выгнать с аэродромов любыми способами. А проще всего это сделать, включив тревожные сигналы самих птиц, записанные на магнитофонную пленку. Правда, надо учитывать, что в разных местах птицы “разговаривают” на разных “языках и диалектах”. Известен случай, когда на пленку записали сигналы тревоги французских ворон и дали их послушать американским. Однако те не поняли криков своих заокеанских сородичей и не откликнулись на них. [ 1]

4. Звук и его характеристики

(Учитель физики) Живые организмы способны издавать самые разнообразные звуки, непохожие друг на друга. Давайте вспомним с уроков физики, что же такое звук, и чем могут звуки отличаться друг от друга? (фронтальная беседа-опрос с учащимися)

Вопрос: Что такое звук?

Ответ: Звук – это упругие волны сжатия и разрежения, распространяющиеся в твердой, жидкой, газообразной среде.

Т.е. звук – это обычная механическая волна, которая представляет собой сменяющие друг друга области сгущения и разрежения.

Но каждый звук имеет свои особенности, т.е. свои характеристики.

Вопрос: Какие характеристики звука вы знаете?

Ответ: Высота, громкость, тембр.

Вопрос: Что такое высота или тон звука?

Ответ: Это характеристика, которая определяется частотой колебаний в звуковой волне. Большей частоте соответствуют высокие звуки, меньшей частоте – низкие звуки.

Вопрос: Звуки какой частоты воспринимает человек?

Ответ: От 20 до 20 000 Гц (проводится опыт со звуковым генератором)

Вопрос: Какие звуки находятся за этими пределами?

Ответ: Инфразвуки (частота меньше 20 Гц) и ультразвуки (частота больше 20 кГц)

Вопрос: Что такое громкость звука?

Ответ: Это характеристика, которая определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Чем больше амплитуда, тем громкость больше.

Вопрос: В каких единицах измеряется?

Ответ: Измеряется в дБ.

Вопрос: Какая характеристика называется тембром?

Ответ: Окраска звука, возникающая вследствие наложения друг на друга нескольких обертонов.

Именно благодаря тембру мы можем различать звуки различных музыкальных инструментов, голоса разных людей, животных, птиц.

Одна из характеристик любой волны – это скорость распространения.

Вопрос: Что можно сказать об этой характеристике. От чего она зависит?

Ответ: Скорость звука различна в разных средах. Больше в твердых телах, меньше в газах, т.к. взаимодействие частиц в газообразном веществе самое слабое.

Не случайно в далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. Т.к. звук в твердом теле – земле – распространяется быстрее, чем в воздухе.

Если подвести итог всему вышесказанному, то можно отметить, что все разнообразие звуков объясняется их различными характеристиками.

5. Кто как говорит.

(Учитель физики) Звук имеет в жизни животных немаловажное значение. Это средство передачи информации. Животные способны издавать звуки, например, человек, может говорить. Каким же образом возникает звук? Обратимся к опыту. Ударим молоточком по ножкам камертона и слышим звук. Почему возникает звук?

Ответ: При ударе молоточком о ножки камертона, они начинают колебаться, что вызывает колебания воздуха, которые распространяются в пространстве, т.е. возникает звуковая волна.

Значит, источником звука является колеблющееся тело.

Зачем в опыте используют подставку в виде деревянного ящичка?

Ответ: Для усиления звука. Его подбирают таким образом, чтобы его собственная частота колебаний равнялась частоте звука камертона, т.е. чтобы наблюдалось явление резонанса, вследствие которого амплитуда колебаний увеличивается, и мы слышим более громкий звук.

Сама подставка называется резонатором.

Каким же образом животные издают звуки? Рассмотрим данный вопрос на примере человека. (рассказ учителя биологии о голосовых связках).

А какие еще способы создания звуков существуют у животных? (сообщение учащегося) Вы у себя в тетради по ходу доклада отмечайте название животного и “чем оно говорит”:

Доклад “Как у животных образуются звуки?”

(Доклад сопровождается показом фотографий соответствующих животных)

Как и у человека у всех млекопитающих органом, специально предназначенным создавать звуковые колебания, является гортань. Части, составляющие ее причудливы. Щитовидный хрящ напоминает раскрытую книгу, корешок которой стоит вертикально. На что похож перстневидный хрящ, ясно из его названия, а черпаловидные хрящи – трехгранные пирамидки. Как раз между этими пирамидками и щитовидным хрящом идут голосовые связки – эластичные складки слизистой оболочки. Многие звуки зверей зависят от дыхания, и почти у всех зверей возникают они тогда, когда вырывается из легких воздух. Именно они заставляют колебаться голосовые связки гортани, и они издают слабый звук, а ротовая полость играет роль резонатора, усиливающего звук. Если воздух будет выходить из легких более или менее плавно, то получится вой. У некоторых зверей звуки могут образовываться и на вдохе и на выдохе (например, у марала и осла). Тигр и остальные его собратья, когда настроены дружелюбно, фыркают. И фыркают своеобразно: ухитряются издать два разных звука, потому что в этот момент используют они не только гортань, но и нос. А собаки, утконосы и вомбаты так вдыхают и выдыхают воздух через нос, что получается у них свист. Свистеть умеют и дельфины. А еще они умеют щелкать. При чем воздух здесь не нужен, так как источником звуков служит не колебание голосовых связок, а вибрация черпаловидных хрящей, управляемых мышцами гортани. Это легко проделать самим (предложить попробовать).

Гортань птиц похожа на гортань млекопитающих, но птицы мало пользуются ею. Называется она “верхняя гортань”. Почему верхняя? Да потому что существует еще и нижняя или сиринкс. Сиринкс – орган особый. Он есть только у птиц. В глубине груди, где трахея делится на бронхи, находится камера. Если заглянуть внутрь этой камеры, в каждом бронхе увидим голосовые перепонки. Хотя анатомия сиринкса изучена очень хорошо, это настолько сложная система, что до сих пор нет единой теории, объясняющей, как образуются звуки у птиц. Скорость, с какой птицы извлекают свои звуки, необыкновенна. Садовая камышевка успевает за 1 минуту пропеть 250 звуков, а болотная камышевка – ровно в два раза больше.

Однако, всегда ли, чтобы сообщить что-то друг другу, надо использовать гортань? Вовсе нет. И этим особым звукам, которые возникают без участия гортани, дано специальное название: “инструментальные”. А вот инструменты, используемые животными очень разные. Щелкают клювом совы. Хлопают крыльями голуби, утки же свистят ими. Галапагосский пастушок топает лапами. Тараканы, сеноеды, муравьи стучат кто чем: кто головой, кто кончиком брюшка, а кто челюстями. Термиты, обнаружив опасность, дружно бьют головами о субстрат (материал термитника), оповещая о тревоге всех жителей. Стучат зубами морские свинки и сони-полчки. Кузнечик сдвигает и раздвигает крылья, да так, чтобы канатик на одном крыле дотрагивался до напильничка с ребрышками на втором крыле. Некоторые жуки (слоник, водолюб, навозник) стрекочут, потирая брюшко о надкрылья, а жуки-олени издают звуки надкрыльями и бедрами ног.

Опустив гидрофоны в воду, исследователи обнаружили, что и “рыбы не немы”. Морской петух, например, “ кудахчет и квохчет”. Ставрида “ лает”. Рыба-барабанщик издает звуки, действительно, напоминающие барабанный бой, а морской налим выразительно урчит и “хрюкает”. Сила звука некоторых морских рыб так велика, что они вызывали взрывы акустических мин, получивших распространение во время второй мировой войны, и предназначавшихся, естественно, для поражения кораблей противника. Один из живущих в Амазонке сомов – пирарара (не путать с кровожадной пираньей), достигающий метра в длину и весящий до 100 килограммов, издает трубные звуки, похожие на рев слона и слышимые на расстоянии до 100 метров. Звуки эти издаются сомом путем выталкивания смеси воды и воздуха через плотно сомкнутые жаберные щели и служат, скорее всего, для отпугивания хищников. Хараки – основная промысловая рыба Амазонки – во время нереста издает при помощи плавательного пузыря сильнейший звук, напоминающий звук мотоцикла. Можно себе представить, когда сотни самцов хараки во время нереста заводят свои мотоциклы. Причины обилия и разнообразия на Амазонке “поющих рыб” ученые видят в том, что воды этой реки очень мутные из-за примеси известняков и перегноя. Зрительное общение рыб практически невозможно, поэтому природа и пошла по пути выработки разнообразной акустической сигнализации.[ 2]

6. Кто как слышит.

(Учитель физики) Чтобы общаться животные должны не только издавать звуки, но и принимать их, т.е. слышать. Звукоприемник – это ухо. Животные слышат, потому что их уши реагируют на звуковые волны. Разберем строение уха млекопитающих на примере человеческого уха. (рассказ по таблице “Внутреннее строение уха”) Ухо можно разделить на три части: наружное, среднее, внутреннее. Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода. Среднее ухо: здесь располагается барабанная перепонка и три косточки характерной формы: молоточек, наковальня и стремечко. Кроме того, среднее ухо соединяется с носом узкой трубкой, которая необходима для выравнивания давления воздуха в среднем ухе по отношению к внешней среде. Во внутреннем ухе находится три наполненные жидкостью трубки (полукружные каналы), которые относятся к вестибулярному аппарату, улитка – миниатюрная спиральная трубка и слуховой нерв.

Итак, ушная раковина принимает звуковую волну. При чем площадь поверхности ушной раковины имеет немаловажное значение. Давайте проведем опыт: приставим руку к ушной раковине и послушаем. Слышимость увеличивается. Чем больше площадь поверхности, тем большую часть звуковых волн мы воспринимаем.

Далее слуховой проход направляет волну к барабанной перепонке. Барабанная перепонка под действием звуковой волны начинает колебаться, и эти колебания передаются молоточку, наковальне и стремечку, которые работают как маленькие рычажки, усиливая колебания. Косточки соединены с улиткой, заполненной особой жидкостью, и переданные колебания вызывают движение жидкости вперед и назад в такт с колебаниями в звуковой волне. При этом чувствительные волосковые клетки, расположенные внутри улитки, деформируются и посылают электрический сигнал через слуховой нерв в мозг. Мозг расшифровывает сигналы и воспринимает их как звуки.

Зачем человеку два уха? Оказывается, благодаря этому мы можем определить, где находится источник звука. Ухо, ближайшее к источнику слышит его немного громче и чуть раньше, чем другое ухо. Именно этим два звука и дают возможность определить, откуда исходит звук.

Если источник находится строго перед вами, то звук достигает каждого уха одновременно, и определить нужное направление мы не сможем. Значит, если мы хотим определить, откуда доносится звук, надо не поворачиваться на звук, а наоборот, отвернуться от него.

Ухо устроено таким образом, что оно по-разному реагирует на громкие и тихие звуки. Самое маленькое давление, на которое реагирует ухо, называет порогом слышимости. У каждого организма он свой. Например, человек способен слышать такие слабые звуки как шорох листьев 10 дБ или тиканье часов на расстояние 1 м - 30 дБ.

В случае громких звуков дополнительно сокращаются две мышцы среднего уха и барабанной перепонки, молоточек, наковальня и стремечко колеблются уже с меньшей амплитудой. При этом давление, передаваемое внутреннему уху – улитке уменьшается. Но слишком громкие звуки вредны для слуха, а звуки равные 140 дБ вызывают болевые ощущения, а равные 160 дБ – разрушение барабанной перепонки. Как защитить орган слуха: закрыть уши и открыть рот.

Несмотря на принципиальное сходство в строении уши у разных млекопитающих имеют свои особенности. Индивидуальные особенности органов слуха позволяют разным животным воспринимать разные звуки. Так, человек слышит звуки от 20 до 20 000 Гц, причем с возрастом пределы слышимости меняются. Дети способны услышать до 40 кГц, т.е. ультразвук. С возрастом эта способность уменьшается. Установлено, что после 40 лет пять лет подряд каждые полгода верхний предел частотной шкалы опускается на 80 Гц.

Многие животные на протяжении всей жизни воспринимают ультразвук, например, собаки – до 60 кГц; лисицы до 65 кГц; летучие мыши до 250 кГц, китообразные также общаются с помощью ультразвука. А некоторые морские животные (кальмары, каракатицы, осьминоги) воспринимают инфразвук.

(Учитель биологии) Вы знаете, что звери живут кто где. В зависимости от среды обитания и уши у них устроены по-разному. Давайте попытаемся вместе с вами на примере некоторых животных объяснить биологическую целесообразность строения их ушей. Я буду называть животных, а вы попробуйте определить биологическую целесообразность строения их ушей: (беседа по вопросам сопровождается показом фотографий соответствующих животных)

Вопрос 1: Усатые киты, обыкновенные дельфины, кроты совсем не имеют ушной раковины, почему? Ответ: В воде и в земле, где обитают эти животные, ушная раковина только мешала бы. У крота, чтоб земля не попала в слуховой проход, есть специальный клапан, который может открываться и закрываться по необходимости.

Вопрос 2: У нутрии уши небольшие, закругленные, а верхний их край повернут в сторону входного отверстия, внизу в ухе пучок жестких и длинных волос, почему? Ответ: Нутрия живет в воде и на суше, поэтому должна слышать в обеих средах. Пучок жестких волос не дает воде попасть в слуховой проход.

Вопрос 3: Африканская лисица фенек сама небольшая (30-40см), а уши у нее до 15см. Как вы это можете объяснить? Ответ: Уши у фенека не только орган слуха, но еще и участвуют в терморегуляции. У животных жаркого климата все выступающие части тела (уши, хвост, конечности) намного длиннее, чем у родственных им видов в холодных краях (правило Алена). Эти особенности строения увеличивают общую поверхность тела, а, следовательно, и его теплоотдачу. То же можно сказать и про большие уши слонов, которыми, к тому же, еще можно прекрасно отгонять назойливых насекомых. [2]

7. Итоги урока.

(Подводят учащиеся) Итак, подведем итог сегодняшнего урока. Звуковая сигнализация имеет огромное значение в жизни животных. Изучение существующих в природе способов звуковой сигнализации между животными, то есть, то чем занимается биоакустика, важно и для научной и для практической деятельности человека.

Список литературы

Морозов В.П. Занимательная биоакустика. Изд. 2-е, доп., перераб. – М.: Знание, 1987.

Стишковская Л.Л. И сказала золотая рыбка. Научно-художественная литература/Художник В. Левинсон. – М.: Дет.лит., 1989.

CD. 1С: Школа. Биология (человек и его здоровье), 9 кл. Издательский центр “Вентана-Граф”, текст учебника с иллюстрациями, 2006.

CD. 1С: Школа. Биология (животные), 7 кл. Издательский центр “Вентана-Граф”, текст учебника с иллюстрациями, 2006.