Теплообмін і терморегуляція. Роль шкіри в терморегуляції. 9 клас

Т. Я. Хроменко, учитель біології; О. Ф. Шахненко, учитель фізики та математики ЗШ № 1, м. Долинська, Кіровоградська обл.


Цілі уроку: формувати в учнів знання про функції шкіри, пов’язані з регуляцією сталості внутрішнього середовища, використовуючи знання з біології та фізики; розвивати логічне мислення, пам’ять, уміння працювати в групі, виховувати інтерес до предметів (біологія, фізика).

 

Обладнання: мультимедійний проектор, таблиця «Будова шкіри», підручники, термометри, електронний термометр.

 

Тип уроку: інтегрований.

 

Усі процеси в живих організмах

підпорядковані фізичним законам.

 

Хід уроку

I. Організаційний момент

 

II. Актуалізація опорних знань

Загадка

Людина приходить у цей світ в одязі, який набагато кращий за все те, що можна купити в магазині. (Шкіра)

 

Метод незакінчених речень (презентація)

  1. Зовнішнім покривом тіла є… (шкіра).
  2. Шкіра складається, в основному, з… тканини. (Епітеліальної)
  3. Загальна площа шкіри… м2. (1,5–2)
  4. Вона складається з… шарів. (Трьох)
  5. Зовнішній шар називається… (епідерміс).
  6. Він захищає шкіру від… (проникнення мікроорганізмів, механічних та хімічних пошкоджень).
  7. Під епідермісом розміщена… (дерма).
  8. У ній є… (кровоносні судини, рецептори, пігментні клітини).
  9. Третій, найглибший, шар називається… …, що складається з… (Підшкірна основа, жирового прошарку)
  10. Підшкірна основа виконує…, …, … функції. (Захисну, запасну, теплозберігаючу)
  11. У ній розміщені… та… залози, … та… судини, …, … … (Потові та сальні залози, кровоносні та лімфатичні судини, нерви, волосяні сумки)
  12. Потові залози виділяють… (піт).
  13. Шкіра виконує такі функції: …, …, …, …, … (видільну, захисну, дихальну, рецепторну, терморегуляторну).

 

III. Вивчення нового матеріалу

Експеримент 1

Для вивчення теми потрібно закласти експеримент 1. Учні вимірюють температуру тіла трьома ртутними термометрами одночасно в долоні, ліктьовому згині та пахвовій западині протягом 5–7 хвилин.

 

Проблемна ситуація № 1

На дошці — дві групи організмів:

  1. Риби. Земноводні. Плазуни.
  2. Птахи. Ссавці. 

 

Запитання

1) За яким принципом поділені ці тварини? (Холоднокровні й теплокровні)

2) До якої групи належить людина? (До другої)

3) Що таке теплокровність? (Властивість організму підтримувати сталу температуру тіла)

4) Який процес забезпечує підтримання сталості температури тіла? (Теплорегуляція)

Учитель повідомляє тему й мету уроку.

 

Проблемна ситуація № 2

Історія про «золотого хлопчика»

(На екрані — малюнок «золотого хлопчика».)

 

Розповідь учителя біології

Понад п’ять століть тому, в останні дні 1496 р., в розкішному замку міланського герцога Моро готувалися до новорічного свята. Герцог збирався показати своїм гостям такі дивні вистави, яких іще не бачив світ. Ще б! Влаштуванням свята керував великий художник і неперевершений механік Леонардо да Вінчі. Він задумав прославити золотий вік, який настав після багатьох років залізного віку спустошливих воєн. Для зображення залізного віку ковалі під спостереженням Леонардо да Вінчі зробили величезну фігуру лежачого лицаря, закутого в лати. А золотий вік мав уособлювати голий хлопчик, з голови до ніг покритий золотою фарбою. Це був син бідного пекаря. Батько за гроші надав його для звеселяння герцога. У розпал святкової веселості в зал ввезли переможеного лицаря. З його чрева вийшов «золотий хлопчик» з крилами й лавровою гілкою в руці. Перелякано дивився він на оточуючих, виголошуючи завчене вітання герцогові. Свято не вдалося довести до кінця, тому що раптово захворіла дружина герцога. Гості роз’їхалися. Згасли вогні. Про хлопчика, звичайно, забули… Він залишився один у величезному холодному напівтемному залі. Лише наступного дня Леонардо да Вінчі побачив його в темному кутку. Дитя тремтіло й тужливо плакало. Леонардо закутав його в плащ, відніс до себе додому і три дні доглядав його, намагаючись урятувати. Але на четвертий день хлопчик помер. Минули століття. Історія «золотого хлопчика», пов’язана з ім’ям великого художника, не була забута. А причина його загибелі тривалий час залишалася незрозумілою і викликала різні тлумачення.

 

Запитання.

  • Чому помер «золотий хлопчик»? (Учні висловлюють думки з питання, проте через нестачу знань їхні версії неточні; вчитель пропонує повернутися до запитання згодом.)
  • Яка нормальна температура тіла? (36,6 °С)

 

Учитель біології. Звернемося до результатів експерименту 1.

  1. Температура в долоні — 28–29 °С.
  2. Температура в ліктьовому згині — 33–34 °С.
  3. Температура в пахвовій западині — 36–37 °С.

 

У результаті вимірювання температура неоднакова. Чому? Чи є така температура нормальною? Яка температура ненормальна? Яка температура критична? Чому? (Повну відповідь на ці запитання учні знаходять у підручнику.)

 

Вчитель звертає увагу учнів на таблицю, де вказана температура тіла людини в різних його ділянках.

 

Питання

  • Від чого залежить температура тіла людини? (Від теплоутворення)
  • Які органи беруть участь у теплоутворенні? (У спокійному стані — печінка (70 %), м’язи (30 %); у разі навантаження — навпаки)

 

Експеримент 2 (для підтвердження теплоутворення у м’язах у разі фізичного навантаження)

Учню вимірюють температуру тіла електронним термометром до та після 20 віджимань. Температура тіла після віджимань підвищується на декілька десятих градуса.

 

Проблемна ситуація № 3

Учитель фізики. Згідно із законами фізики, між тілами існує теплообмін. Чому ж температура тіла людини, в основному, залишається незмінною?

Ми постійно рухаємося, споживаємо їжу. То чому ж наша температура не накопичується? (Тому що існує інший бік теплообміну. Це — тепловіддача)

Учитель фізики повторює разом з учнями поняття теплопередачі та її види, явище випаровування, його особливості.

 

Фізична терморегуляція

Фізична терморегуляція здійснюється шляхом змін віддачі тепла організмом. Особливо важливе значення вона має в підтриманні сталості температури тіла під час перебування організму в умовах підвищеної температури навколишнього середовища.

 

У людини в стані спокою за температури повітря близько 20 °С і сумарної тепловіддачі, що дорівнює 419 кДж (100 ккал) на годину, з допомогою радіації губиться 66 %, випаровування води — 19 %, конвекції — 15 % від загальної втрати тепла організмом. За підвищення температури навколишнього середовища до 35 °С тепловіддача з допомогою радіації та конвекції стає неможливою, і температура тіла підтримується на постійному рівні винятково з допомогою випаровування води з поверхні шкіри й альвеол легенів.

 

Характер віддачі тепла тілом змінюється залежно від інтенсивності обміну речовин. У разі посиленого теплоутворення в результаті м’язової роботи стає значимою тепловіддача, здійснювана з допомогою випаровування води. Так, після важкого спортивного змагання, коли сумарна тепловіддача сягала майже 2512 кДж (600 ккал) на годину, було з’ясовано, що 75 % тепла було віддано шляхом випаровування, 12 % — шляхом радіації і 13 % — з допомогою конвекції.

 

Одяг зменшує тепловіддачу. Втратам тепла перешкоджає той шар нерухомого повітря, який перебуває між одягом і шкірою, оскільки повітря — поганий провідник тепла. Теплоізолюючі властивості одягу тим вище, чим дрібніші його пористі структури, що містять повітря. Цим пояснюються гарні теплоізолюючі властивості вовняного та хутряного одягу. Температура повітря під одягом досягає 30 °С. Навпаки, оголене тіло втрачає тепло, оскільки повітря на його поверхні весь час змінюється. Тому температура шкіри оголених частин тіла набагато нижча, ніж одягнених.

 

Значною мірою перешкоджає тепловіддачі шар підшкірної основи (жирової клітковини) внаслідок малої теплопровідності жиру.

Температура шкіри, а отже інтенсивність тепловипромінювання і теплопроведения, можуть змінюватися в результаті перерозподілу крові в судинах і зміни об’єму циркулюючої крові.

 

На холоді кровоносні судини шкіри, головним чином артеріоли, звужуються: більша кількість крові надходить у судини черевної порожнини, обмежуючи тепловіддачу. Поверхневі шари шкіри, отримуючи менше теплої крові, випромінюють менше тепла — тепловіддача зменшується. Крім того, у разі сильного охолодження шкіри артеріовенозні анастомози відкриваються, що зменшує кількість крові, яка надходить у капіляри, і перешкоджає тепловіддачі.

 

Перерозподіл крові, що відбувається на холоді (зменшення кількості крові, що циркулює через поверхневі судини, і збільшення кількості крові, що проходить через судини внутрішніх органів), сприяє збереженню тепла у внутрішніх органах. Ці факти доводять, що регульованим параметром є саме температура внутрішніх органів («ядра»), яка підтримується на постійному рівні.

 

За підвищення температури навколишнього середовища судини шкіри розширюються, і кількість циркулюючої в них крові збільшується. Збільшується також об’єм циркулюючої в усьому організмі крові внаслідок переходу води з тканин у судини, а також тому, що селезінка та інші кров’яні депо викидають у загальний кровоток додаткову кількість крові. Збільшення кількості крові, що циркулює через судини поверхні тіла, сприяє тепловіддачі з допомогою радіації та конвекції.

 

Для збереження сталості температури тіла людини за високої температури навколишнього середовища основне значення має випаровування поту з поверхні шкіри.

 

Випаровування води залежить від відносної вологості повітря. У насиченому водяними парами повітрі вода випаровуватися не може, тому за високої вологості атмосферного повітря високу температуру переносити важче, ніж за низької вологості. У насиченому водяними парами повітрі (наприклад, у лазні) піт виділяється у великій кількості, але не випаровується і стікає зі шкіри. Таке потовиділення не сприяє віддачі тепла: тільки та частина поту, яка випаровується з поверхні шкіри, має значення для тепловіддачі (ця частина поту є ефективним потовиділенням).

 

Шкіра погано переносить також непроникний для повітря одяг (гумова і т. п.), що перешкоджає випаровуванню поту: шар повітря між одягом і тілом швидко насичується парами й подальше випаровування поту припиняється.

 

До проявів фізичної терморегуляції слід віднести також зміну положення тіла. Коли собаці або кішці холодно, вони згортаються у клубок, зменшуючи в такий спосіб поверхню тепловіддачі; коли жарко, тварини, навпаки, набувають положення, за якого поверхня тепловіддачі максимально збільшується. Цього способу фізичної терморегуляції не позбавлена й людина, «згортаючись у клубок» під час сну в холодному приміщенні.

 

Рудиментарні значення для людини має прояв фізичної терморегуляції у формі реакції шкірних м’язів («гусяча шкіра»). У тварин за цієї реакції поліпшується теплоізолююча роль вовни.

 

Таким чином, сталість температури тіла підтримується спільною дією, з одного боку, механізмів, що регулюють інтенсивність обміну речовин і залежне від нього теплоутворення (хімічне регулювання тепла), а з іншого — механізмів, що регулюють тепловіддачу (фізичне регулювання тепла).

 

ІV. Закріплення й узагальнення вивченого матеріалу

 

Робота в групах

(Учні в групах отримують завдання інтегрованого змісту, обговорюють і презентують класу.)

  1. Як пояснити, чому температура повітря над головою людини на 1–1,5 градуси вище від температури навколишнього повітря? (У процесі природної конвекції тепло піднімається потоком теплого повітря, що нагрівається шкірою.)
  2. Якщо температура в кімнаті 20 °С, ми почуваємося комфортно. Але, входячи у воду тієї ж температури, ми відчуваємо досить сильний холод. Чому? (Повітря — теплоізолятор. Він слабко проводить тепло. Вода має більшу теплоємність, до того ж вона — кращий провідник тепла. У воді нам холодно, тому що вона швидко відводить тепло від тіла.)
  3. Чим пояснити, що відвідини фінської лазні — сауни, де температура повітря вище 100 °С, безпечні для здоров’я людини, а потрапляння у воду тієї ж температури — смертельно? (У сауні відкриваються пори потових залоз, на шкірі виступає піт, який швидко випаровується. Випаровування охолоджує тіло, принаймні настільки, щоб витримати за такої температури 20–30 хвилин. Без охолоджуючого ефекту випаровування людина не змогла б перенести таку високу температуру.)
  4. Чому в південних широтах місцеві жителі під час сильної спеки носять шапки-папахи і ватні халати? (Одяг у цьому випадку — це засіб теплового опору. Між волокнами тканини й особливо вати зберігаються дрібні обсяги повітря — поганого провідника тепла. Повітря захищає тіло від перегріву.)
  5. Що буде кращою грілкою — мішечок з піском або пляшка з водою (за однакової маси й температури)? (Пляшка з водою, тому що теплоємність води більша від теплоємності піску. Водна грілка буде охолоджуватися довше.)
  6. Чому хворому з високою температурою рекомендують обтирання спиртовим розчином? (Під час випаровування спирту з поверхні шкіри вона охолоджується.)
  7. Людина, що тривалий час перебуває за низької температури, змушена активно рухатися. Чому? (У результаті роботи м’язів тіло людини нагрівається: виділяється велика кількість тепла, оскільки прискорюються обмінні процеси.)
  8. Чому на морозі шкіра спочатку червоніє, потім блідне й навіть синіє? (Відбувається рефлекторне звуження і розширення кровоносних судин.)

 

У цей час два учні розв’язують біля дошки розрахункові задачі.

  • Яка кількість теплоти витрачається на випаровування 12 кг поту, які організм людини виділяє за добу важкої фізичної роботи, якщо питома теплота пароутворення дорівнює 2,4·106 Дж/кг?
  • Яку кількість теплоти виділяє людський організм за добу, якщо цього тепла достатньо, щоб довести до кипіння 33 л крижаної води? Питома теплоємність води — 4200 Дж/(кг·К ).

 

Презентації учнів

  1. Переохолодження шкіри.
  2. Перегрівання шкіри.

 

V. Підсумки уроку

Звернення до проблемного питання про «золотого хлопчика»

Учитель біології. Чому ж помер хлопчик? (Відповіді учнів, узагальнений висновок)

Учитель фізики. Чи погоджуєтеся ви зі словами епіграфа нашого уроку?

 

VІ. Рефлексія

  • На уроці було цікаво, бо…
  • Я дізнався, що…
  • Мене здивувало…
  • Найбільше мене вразило…

 

VII. Домашнє завдання

Опрацювати матеріал за підручником.

Підготувати презентації на тему «Правила загартовування організму».

Dounload PDF

Відгуки читачів