1

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÂM ĐỒNG

TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG THƯỜNG XUYÊN HÈ 2016

CÁC NỘI DUNG VẬT LÍ LIÊN QUAN

ĐẾN SINH HỌC BẬC

TRUNG HỌC CƠ SỞ

(Phục vụ dạy học tích hợp bậc trung học cơ sở)

Biên soạn : TS Lê Cao Phan

TRƯỜNG CAO ĐẲNG SƯ PHẠM ĐÀ LẠT

7/2016

2

CHƯƠNG 1

1.1. Tình hình dạy học tích hợp các môn khoa học tự nhiên ở bậc THCS hiện

nay ở một số nước trên thế giới

Tháng 9-1968, tại “Hội nghị tích hợp về việc giảng dạy các khoa học” dạy

học tích hợp các môn khoa học được UNESCO định nghĩa như sau: “Một cách

trình bày các khái niệm và nguyên lí khoa học cho phép diễn đạt sự thống nhất cơ

bản của tư tưởng khoa học, tránh nhấn quá mạnh hoặc quá sớm sự sai khác

giữa các lĩnh vực khoa học khác nhau”. Quá trình dạy học tích hợp bao gồm

những hoạt động tích hợp giúp HS biết cách phối hợp các kiến thức, kĩ năng và

thao tác một cách có hệ thống.

1.1.1. Vài nét về tích hợp tại giáo dục phổ thông Úc

Chương trình giáo dục tích hợp đã được áp dụng trong hệ thống giáo dục

Australia từ nhiều thập niên cuối thế kỉ 20 và đầu thế kỉ 21. Mục tiêu của chương

trình giáo dục tích hợp (tích hợp ngang và dọc) cho giáo dục phổ thông Australia

được xác định rõ như sau: Chương trình giáo dục tích hợp là hệ thống giảng dạy

tích hợp đa ngành, trong hệ thống đó tầm quan trọng của việc phát triển và ứng

dụng kĩ năng được chú trọng; quá trình dạy học tích hợp này bao gồm việc dạy,

học và kiểm tra - đánh giá năng lực tiếp thu kiến thức cũng như ứng dụng của HS

phổ thông. [14]

1.1.2. Tích hợp môn Khoa học tự nhiên tại giáo dục phổ thông Cộng hòa Pháp

Tại Pháp, môn Vật lí và Hóa học đã được tích hợp nhau từ lớp 8 đến lớp 12

thành môn Lí-Hóa (Physique-Chimie). Các trường sư phạm đào tạo giáo viên Lí-

Hóa, do đó, một GV dạy vật lí có thể dạy hóa học. Việc đào tạo này đã ổn định

suốt hàng chục năm qua.

Môn sinh học ở bậc trung học cơ sở có tên gọi “Khoa học về sự sống và

Trái đất” (Sciences de la vie et de la Terre). Mặc dầu các môn Lí-Hóa-Sinh có tên

gọi chung là Khoa học tự nhiên (Sciences naturelles), nhưng ba môn Lí–Hóa- Sinh

này vẫn tồn tại độc lập. Sách giáo khoa vẫn gồm hai phần riêng rẽ Vật lí và Hóa

học riêng rẽ, và việc tích hợp các nội dung là tích hợp theo kiểu chủ đề, nghĩa là

GV và HS vận dụng kiến thức của nhiều môn học khác nhau. GV có thể lựa chọn

thứ tự dạy lí hoặc hóa hoặc xen kẽ các bài với nhau. Ưu điểm của mô hình này là

3

GV vẫn dạy một môn học, nhưng trong quá trình dạy học, GV cần vận dụng và

mở rộng kiến thức của nhiều môn học liên quan. Như vậy, không có GV dạy môn

khoa học tự nhiên ở bậc THCS mà mỗi GV đã được đào tạo theo chuyên ngành

riêng cần được mở rộng bồi dưỡng các kiến thức liên quan để có thể lồng ghép các

kiến thức lại với nhau.

Việc tích hợp vật lí vào sinh học thường giải quyết các vấn đề sau :

- Mở rộng kiến thức, tìm hiểu về môi trường tự nhiên xung quanh.

- Hiểu biết về bản thân (các cơ chế sinh học) để nâng cao hiệu suất lao

động, bảo vệ sức khỏe, an toàn trong lao động, trong làm việc, trong rèn luyện thể

dục thể thao.

- Vận dụng các kiến thức tổng hợp để giải quyết các vấn đề thường gặp

trong cuộc sống.

- Tham gia vào công tác hướng nghiệp.

1.2. Các xu thế tích hợp môn khoa học tự nhiên hiện nay theo chương trình

giáo dục tổng thể

Việc tích hợp môn đã được chỉ rõ trong trong dự thảo chương trình giáo

dục tổng thể [16]: “Hệ thống các môn học được thiết kế theo định hướng bảo đảm

cân đối nội dung các lĩnh vực giáo dục, phù hợp với từng cấp học, lớp học; thống

nhất giữa các lớp học trước với các lớp học sau; tích hợp mạnh ở các lớp học

dưới, phân hoá dần ở các lớp học trên; tương thích với các môn học của nhiều

nước trên thế giới.” theo đó, ở giai đoạn cơ bản, cấu trúc nội dung môn Khoa học

Tự nhiên ở cấp trung học cơ sở gồm các chủ đề phân môn Vật lí, Hoá học, Sinh

học, Khoa học trái đất đồng thời có thêm một số chủ đề liên phân môn được sắp

xếp sao cho vừa bảo đảm liên hệ theo logic tuyến tính vừa tích hợp đồng tâm, hình

thành các nguyên lí, quy luật chung của thế giới tự nhiên.

1.3. Các điều kiện cần để tích hợp cho môn khoa học tự nhiên bậc THCS

Để thực hiện tốt việc dạy học tích hợp, GV cần có các năng lực sau :

- GV cần có kiến thức liên ngành, biết vận dụng kiến thức giao thoa giữa

các môn học. Đây là điểm quan trọng quyết định sự thành công của dạy học tích

hợp.

4

- GV cần nắm phương pháp học và dạy hiện đại và linh hoạt để truyền đạt

kiến thức có hiệu quả.

- GV cần có các năng lực đánh giá phù hợp với dạy học tích hợp như ra đề

thi, chấm thi, đánh giá và kiểm tra sự tiến bộ của HS.

- Đối với môn Khoa học tự nhiên, GV cần có trải nghiệm thực tế, có hiểu

biết rộng về thế giới tự nhiên, cần trang bị các phương pháp nghiên cứu khoa học

đặc thù với bộ môn này.

Qua nhiều năm triển khai, việc dạy học tích hợp môn có các thuận lợi sau :

- Thực tế chương trình giáo dục phổ thông hiện nay đều có các mục tiêu

chung của các môn học. Trong mỗi môn học cũng có nhiều phần kiến thức tương

đối độc lập, đồng thời vẫn thực hiện mục tiêu chung của bộ môn.

- Ở Việt Nam trong nhiều năm qua, các GV bậc Trung học cơ sở bộ môn

khoa học tự nhiên đã được đào tạo ở các trường Cao Đẳng Sư Phạm theo các

hướng sau : đào tạo đơn ngành (Lí, Hóa, Sinh), đào tạo ghép môn (Lí –KTCN;

Hóa- Sinh, Hóa – KTNN; Sinh –KTNN; Sinh Hóa). Trong chương trình đào tạo,

SV ngành Hóa được học Toán, Vật lí đại cương; SV ngành Sinh được học Toán,

Vật lí đại cương, Hóa học đại cương. Đây cũng là điều kiện thuận lợi để GV có thể

dạy học tích hợp. Với cách ghép môn trên đây, một số GV có thể có các kiến thức

liên quan đến lãnh vực mình đã dạy. Thí dụ, GV Sinh có thể dạy KT-NN, GV Hóa

có thể dạy Sinh. Đó là điều kiện thuận lợi để có thể dạy các môn Hóa-Sinh-KTNN.

Tuy nhiên, môn Vật lí còn đứng “độc lập”, mặc dầu trong chương trình Hóa học có

học phần Vật lí đại cương (60 tiết). Tuy nhiên để các GV này có thể bắt kịp việc

dạy học tích hợp, cần có sự đầu tư và bồi dưỡng theo một kế hoạch cụ thể.

Tuy nhiên, việc triển khai dạy học môn khoa học tự nhiên đang gặp các khó

khăn sau :

- Chương trình, SGK và đánh giá kết quả học tập của HS chưa có sự sẵn

sàng đầy đủ cho tư tưởng tích hợp nêu trên;

- GV không được chuẩn bị đầy đủ (cần đào tạo GV);

- Các dạng tích hợp đối lập với dạy học truyền thống hiện nay trong nhà

trường phổ thông Việt Nam.

5

Mặt khác do chương trình bậc CĐSP được xây dựng theo hướng đơn ngành

và do giảng viên các trường CĐSP cũng được đào tạo theo từng chuyên ngành hẹp,

vì vậy, tuy dạy các lớp ghép nhưng GV cũng chưa vận dụng các kiến thức các môn

với nhau. Vì vậy, các môn học trong các ban được các GV khác nhau dạy một cách

độc lập với nhau. Thí dụ, ở ban Hóa-Sinh, các giảng viên Hóa dạy phần hóa học,

các giảng viên Sinh dạy phần Sinh học. Vì vậy, các GV tốt nghiệp trường CĐSP

các môn Lí, Hóa , Sinh chưa có ý niệm tích hợp ba học phần này với nhau.

Hiện nay, khó khăn nhất trong việc giảng dạy tích hợp ở bậc THCS là vấn

đề giáo viên để tham gia giảng dạy các môn tích hợp. Gánh nặng này đặt lên các

trường sư phạm : “một trong những điều kiện cơ bản để có thể theo kịp thế giới là

phải đổi mới hoàn toàn ngành Sư phạm, nâng cao chất lượng sư phạm để phát

triển xa hơn nữa”. (Dân trí 11/5/2015)

Tuy nhiên để có đội ngũ GV mới đáp ứng nhu cầu dạy tích hợp đòi hỏi

quá trình chuẩn bị công phu của các trường sư phạm và mất nhiều thời gian. Vì

vậy, thứ trưởng Bộ GD-ĐT Nguyễn Vinh Hiển đã đề xuất : “Các nhà trường chủ

động lựa chọn giáo viên có năng lực phù hợp nhất để phân công dạy từng phân

môn hoặc chuyên đề cụ thể. Như vậy có những môn học nhiều giáo viên cùng tham

gia giảng dạy và sử dụng chung tài liệu, SGK để thiết kế bài giảng cho phần mình

được phân công. Có nhiều biện pháp để hỗ trợ giáo viên như bồi dưỡng, tự bồi

dưỡng giáo viên để có vốn tri thức rộng, khả năng vận dụng tổng hợp các kiến

thức có liên quan. Các tổ chuyên môn cần xây dựng kế hoạch để trao đổi, chia sẻ

kinh nghiệm, cùng xây dựng kế hoạch dạy học, thiết kế bài giảng, tổ chức các

chuyên đề dạy học, dự án học tập cho học sinh. Việc trao đổi, sinh hoạt chuyên

môn có thể tổ chức trong các tổ chuyên môn của trường, trong nhóm giáo viên bộ

môn của từng lớp học trong trường, giáo viên của các cụm trường…” (Tuổi trẻ,

10/8/2015)

Điều đó có nghĩa là chưa thể có giáo viên tích hợp để dạy các môn tích hợp

trong một thời gian vài năm nữa. Các GV đơn ngành hiện nay vẫn tiếp tục dạy học

các phần theo chuyên ngành của mình. Do đó, các GV phải tự bối dưỡng để nâng

cao trình độ về các môn liên ngành.

6

Để góp phần giải quyết khó khăn trên, tài liệu “Chọn lọc nội dung vật lí để

tích hợp vào chương trình sinh học bậc trung học cơ sở” được xây dựng trên tinh

thần là các GV vật lí cần được bồi dưỡng về sinh học và các GV sinh học cần được

bồi dưỡng về vật lí để có thể đảm nhận các nội dung khác nhau trong hệ thống

chương trình của bộ môn khoa học tự nhiên.

7

CHƯƠNG 2

CÁC NỘI DUNG VẬT LÍ TÍCH HỢP VÀO SINH HỌC BẬC

TRUNG HỌC CƠ SỞ

2.1. Vài nét về mục tiêu và nội dung bộ môn vật lí và sinh học ở bậc THCS

2.1.1. Vai trò môn vật lí ở bậc THCS

a. Về kiến thức

Môn vật lí ở bậc THCS nhằm giúp cho HS đạt được một hệ thống kiến thức

vật lí phổ thông, cơ bản ở trình độ THCS và phù hợp với những quan điểm hiện

đại, bao gồm:

- Những kiến thức về các sự vật, hiện tượng và quá trình vật lí quan trọng

nhất trong đời sống và sản xuất.

- Các đại lượng, các khái niệm và mô hình vật lí đơn giản, quan trọng được

sử dụng phổ biến.

- Những quy định định tính và một số định luật vật lí quan trọng nhất.

- Những ứng dụng phổ biến, quan trọng nhất của vật lí trong đời sống và

trong sản xuất.

- Những hiểu biết ban đầu về một số phương pháp chung của nhận thức

khoa học và một số phương pháp đặc thù của vật lí, trước hết là phương pháp thực

nghiệm và phương pháp mô hình.

b. Về kĩ năng

- Biết quan sát các hiện tương và các quá trình vật lí tự nhiên trong đời sống

hàng ngày hoặc trong các thí nghiệm và từ các nguồn tài liệu khác để thu thập các

thông tin cần thiết cho việc học tập môn vật lí.

- Biết sử dụng các dụng cụ đo phổ biến của vật lí, lắp ráp và tiến hành được

các thí nghiệm vật lí đơn giản.

- Biết phân tích, tổng hợp và xử lí các thông tin thu được để rút ra kết luận,

đề ra các dự đoán đơn giản về các mối quan hệ hay về bản chất của các hiện tượng

hoặc quá trình vật lí, cũng như đề xuất phương án thí nghiệm đơn giản để kiểm

tra dự đoán đã đề ra.

8

- Vận dụng được kiến thức để mô tả và giải thích một số hiện tượng và quá

trình vật lí đơn giản trong học tập và trong đời sống, để giải các bài tập vật lí chỉ

đòi hỏi những suy luận lô gic và những phép tính đơn giản.

- Biết sử dụng được các thuật ngữ vật lí, các biểu đồ, đồ thị, để trình bày rõ

ràng, chính xác những hiểu biết, cũng như những kết quả thu được qua thu thập và

xử lí thông tin.

c. Về thái độ

- Có thái độ nghiêm túc, chăm chỉ, dần dần có hứng thú học vật lí, yêu thích

tìm tòi khoa học, trân trọng đối với những đóng góp của vật lí cho sự tiến bộ của

xã hội và đối với công lao của các nhà khoa học.

- Có thái độ khách quan, trung thực, có tác phong tỉ mỉ, cẩn thân, chính xác

và có tinh thần hợp tác trong việc quan sát, thu thâp thông tin và trong thực hành

thí nghiệm.

- Có ý thức vận dụng những hiểu biết vật lí vào các hoạt động trong gia

đình, cộng đồng và nhà trường.

Hiện nay, các nội dung kiến thức vật lí được sắp xếp ở bậc THCS như sau :

Lớp 6 : Cơ học, nhiệt học. [23]

Lớp 7 : Quang hình, điện học. [24]

Lớp 8 : Cơ học, nhiệt học. [25]

Lớp 9 : Điện học, quang học. [26]

Như thế, mỗi một chuyên ngành được lặp đi hai lần với múc độ ngày càng

nâng cao và mở rộng hơn.

2.1.2. Vai trò môn Sinh học ở bậc THCS

a. Về kiến thức

Mô tả được hình thái, cấu tạo của cơ thể sinh vật thông qua các đại diện của

các nhóm vi sinh vật, nấm, thực vật, động vật và cơ thể người trong mối quan hệ

với môi trường sống.

Nêu được các đặc điểm sinh học trong đó có chú ý đến tập tính của sinh vật

và tầm quan trọng của những sinh vật có giá trị trong nền kinh tế.

9

Nêu được hướng tiến hóa của sinh vật (chủ yếu là động vật, thực vật), đồng

thời nhận biết sơ bộ về các đơn vị phân loại và hệ thống phân loại động vật, thực

vật.

Trình bày các quy luật cơ bản về sinh lí, sinh thái, di truyền. Nêu được cơ

sở khoa học của các biện pháp giữ gìn vệ sinh, bảo vệ sức khỏe, bảo vệ cân bằng

sinh thái, bảo vệ môi trường và các biện pháp kĩ thuật nhằm nâng cao năng suất,

cải tạo giống cây trồng vật nuôi.

b. Về kĩ năng

Biết quan sát, mô tả, nhận biết các cây, con thường gặp; xác định được vị trí

và cấu tạo của các cơ quan, hệ cơ quan của cơ thể thực vật, động vật và người.

Biết thực hành sinh học: sưu tầm, bảo quản mẫu vật, làm các bộ sưu tập

nhỏ, sử dụng các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm, đặt và theo dõi một số thí nghiệm

đơn giản.

Vận dụng kiến thức vào việc nuôi trồng một số cây, con phổ biến ở địa

phương; vào việc giữ gìn vệ sinh cá nhân, vệ sinh công cộng; vào việc giải thích

các hiện tượng sinh học thông thường trong đời sống.

Có kĩ năng học tập: tự học, sử dụng tài liệu học tập, lập bảng biểu, sơ đồ,...

Rèn luyện được năng lực tư duy: phân tích, đối chiếu, so sánh, tổng hợp,

khái quát hóa các sự kiện, hiện tượng sinh học...

c. Về thái độ

Có niềm tin khoa học về về bản chất vật chất của các hiện tượng sống và

khả năng nhận thức của con người.

Có trách nhiệm thực hiện các biện pháp giữ gìn vệ sinh, bảo vệ sức khỏe

cho bản thân, cộng đồng và bảo vệ môi trường.

Sẵn sàng áp dụng các tiến bộ khoa học kĩ thuật thuộc lĩnh vực sinh học vào

trồng trọt và chăn nuôi ở gia đình và địa phương.

Xây dựng ý thức tự giác và thói quen bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ môi

trường sống, có thái độ và hành vi đúng đắn đối với chính sách của Đảng và Nhà

nước về dân số, sức khỏe sinh sản, phòng chống HIV/AIDS, lạm dụng ma túy và

các tệ nạn xã hội.

Chương trình sinh học bậc THCS được cấu trúc như sau :

10

Lớp 6 : Thực vật. [18]

Lớp 7 : Động vật. [19]

Lớp 8 : Cơ thể người.[20]

Lớp 9 : Di truyền học- Sinh thái và môi trường.[21]

2.1.3. Nhận xét

Có thể thấy rõ mối tương đồng giữa hai chương trình như sau :

- Về kiến thức : hai chương trình đều chú trọng vào việc hình thành cho HS

những khái niệm và quy luật cơ bản, những kiến thức liên quan đến cuộc sống

hàng ngày.

- Về kĩ năng : hai chương trình chú trọng đến rèn luyện cho HS kĩ năng

nhận xét, mô tả, nhận biết một số hiện tượng cơ bản; biết sử dụng một số thiết bị

cơ bản của phòng thí nghiệm và phục vụ cuộc sống.

Hai chương trình cũng chú trọng rèn luyện cho HS các kĩ năng học tập như

tự học, sử dụng tài liệu học tập, lập bảng biểu, sơ đồ,...

HS cũng được rèn luyện được các năng lực tư duy như phân tích, đối chiếu,

so sánh, tổng hợp, khái quát hóa...

- Về thái độ : Hai chương trình chú trọng xây dựng cho HS niềm tin khoa

học về về bản chất vật chất của các hiện tượng sống và khả năng nhận thức của

con người.

Hai chương trình cũng rèn luyện cho HS ý thức bảo vệ môi trường, có trách

nhiệm thực hiện các biện pháp giữ gìn vệ sinh, bảo vệ sức khỏe cho bản thân, cộng

đồng và bảo vệ môi trường.

Các mối tương đồng ở hai bộ môn có điểm chung là khoa học thực nghiệm

sẽ hỗ trợ và bổ sung việc tích hợp vật lí với sinh học.

2.2. Các nội dung cơ học liên quan đến sinh học

Theo chương trình hiện hành, phần cơ học ở bậc THCS tập trung ở hai cấp

lớp là lớp 6 và lớp 8. Cơ học bậc THCS chủ yếu giới thiệu cho HS những kiến

thức và kĩ năng cơ bản về đo, ước lượng một số đại lượng vật lí cơ bản như chiều

dài, thể tích, khối lượng, nhiệt độ; quan sát các hiện tượng chuyển động và cân

bằng trong cuộc sống hàng ngày; phát hiện và nhận biết các quá trình vật lí hàng

11

ngày như các hiện tượng gây ra bởi áp suất không khí, lực đẩy Acsimét [8], [17]...

Ở lớp 8, chương trình giới thiệu một số khái niệm khó hơn, các quá trình vật lí

phức tạp hơn, sử dụng nhiều hơn công cụ toán học như vận tốc, công cơ học…

Riêng phần âm thanh được trình bày ở lớp 7. Cụ thể, các nội dung chính của cơ

học bậc THCS gồm :

- Đô độ dài, đo thể tích.

- Khối lượng, khối lượng riêng, trong lượng riêng.

- Nhận dạng chuyển động, vận tốc, chuyển động nhanh chậm của các vật.

- Áp suất chất lỏng, không khí.

- Các loại máy cơ đơn gian.

- Lực quán tính.

- Định luật 3 Niutơn, sự cân bằng của vật khi vật đứng yên, trọng tâm.

- Lực ma sát, lực đan hồi, lực đẩy Asimet.

- Áp suất.

- Công cơ học, công suất, cơ năng.

- Âm thanh, tần số âm, độ to, ngưỡng nghe, ngưỡng chói tai.

- Khái niệm siêu âm, tác dụng của siêu âm lên động vật; ứng dụng của siêu

âm của một vài động vật để săn mồi,

2.2.1. Phép đo, ước lượng chiều dài

Trong phần mở đầu của bộ môn cơ học, HS được làm quen với phép đo và

ước lượng chiều dài, diện tích, thể tích. Sau đây là một số nội dung có thể vận

dụng vào sinh học.

a. Ước lượng một số đại lượng độ dài liên quan đến cơ thể người:

+ Một inche bằng chiều dài 1 đốt ngón tay.

+ Một foot bằng chiều dài bàn chân.

+ Chiều cao cơ thể bằng 7-7,5 chiều cao của đầu. [27]

+ Chiều dài mặt bằng chiều dài bàn tay.

+ Hai mắt cách nhau bằng chiều dài con mắt.

+ Chu vi thắt lưng bàng hai lần chu vi cổ.

+ Chu vi của cổ bằng hai lần chu vi cổ tay.

12

+ Hướng dẫn HS cách đo chân và chọn số giày (hình 2.1), đo chiều dài

chân và L tra các bảng trên Internet.

Hình 2.1

+ Hướng dẫn HS cách đo chân và chọn số áo : Dùng thước cuộn đo vòng

cổ. Phía sau lưng, đo chiều dài từ mép trên cùng, giữa áo đến đường may ở vai.

Kết quả này gọi là A (hình 2.2). Đo chiều dài từ bờ vai đến cổ tay. Kết quả này

gọi là B (hình 2.3).

Hình 2.2

Hình 2.3

Dựa vào bảng 2.1 để xác định kích cỡ của áo :

Bảng 2.1

Kích cỡ của áo Ký hiệu trên áo Vòng cổ (cm) A+B (cm)

Nhỏ (Small) S 35,5 - 36,7 81 - 84

Trung bình (Medium) M 38,0 - 39,3 81 - 84

To vừa (Large) L 40,5 – 42,0 86 - 88

To (X-Large) XL 43,0 – 44,3 86 - 88

Rất to (XX-Large) XX-L 45,6 – 46,8 89 - 92

b. Cung cấp thông tin một số cần thiết về chiều dài của các sinh vật

+ Rắn dài nhất, cá dài nhất, động vật cao nhất, cây cao nhất…

+ Các thông tin liên quan đến chiều dài của tế bào, vi trùng, vi rút…

13

2.2.2. Chuyển động của vật, tốc độ của vật

Tốc độ của vật nói lên mức độ chuyển động nhanh hay chậm của vật, được

tính bằng tỷ số giữa quãng đường đi và thời gian để thực hiện quãng đường đó.

Đơn vị phổ biến của tốc độ là m/s và km/h. Ở bậc THCS, tuy không nói rõ

nhưng cần hiểu tốc độ ở đây là tốc độ trung bình.

Trong nội dung này, ta có thể lồng ghép :

- Chuyển động của các sinh vật, giúp HS đánh giá và ước lượng được tốc độ

của các loài sinh vật khác nhau chú ý đến các tốc độ lớn nhất, nhỏ nhất. Sau đây là

một số thông số để GV khai thác:

Bảng 2.2 :Tốc độ trung bình một số động vật trên cạn

Động vật Tốc độ

km/h

Động vật Tốc độ

km/h

Voi Châu phi 40 Cáo 67,6

Chó hoang 72,5 Ngựa 88

Rắn mamba 32,2 Chuột 13

Gấu 35 Sư tử 80

Beo 120 Đà điểu 70

Mèo nhà 48 Thỏ 48

Linh dương 72,4 Bò tót 64

Rùa 0,3 Ngựa vằn 64,8

Ốc sên 0,1 Nai 48,2

Hưu cao cổ 52 Chuột túi 70

Bảng 2.3: Tốc độ trung bình một số loài chim và côn trùng

Động vật Tốc độ

km/h

Động vật Tốc độ

km/h

Chim bồ câu 59 Muỗi 2

Đại bàng 195 Bươm bướm 48,4

Thiên Nga 145 Chuồn chuồn 29

Chim chiến 153 Con mồng 145

Kền kền 90 Ruồi 7,2

14

Bảng 2.4: Tốc độ trung bình một số động vật dưới nước

Động vật Tốc độ

km/h

Động vật Tốc độ

km/h

Cá voi xanh 50 Cá mập trắng 40

Sư tử biển 21,6 Chim cánh cụt 8

Lươn biển 3,9 Cá nhồng 44

Cá heo 35 Bạch tuột 40

Cá bay 56,5 Cá cờ 110

- Tốc độ của người trong các hoạt động khác nhau : việc ước lượng này

giúp HS tính tóan trong thực tế, thí dụ thời gian đi bộ từ nhà đến trường….

Bảng 2.5. Tốc độ của người

Hoạt động Tốc độ

km/h

Động vật Tốc độ

km/h

Đi bộ 5 Chạy bộ 15-20

Chạy nhanh 35 - 40 Bò, trườn 1-2

2.2.3. Lực quán tính

Lực quán tính xuất hiện khi một vật thay đổi vận tốc (về độ lớn và hướng).

Ở bậc THCS, chỉ giới thiệu cho HS trường hợp độ lớn vận tốc (hay tốc độ) thay

đổi vật đang chuyển động mà chậm lại thì lực quán tính đẩy vật về phía trước,

ngược lại, vật chuyển động nhanh dần thì lực quán tính kéo vật về phía sau.

Về lí thuyết, nếu gọi gia tốc của vật là a thì lực quán tính là F ma ,

trong đó m là khối lượng của vật. Dấu trừ chứng tỏ lực quán tính và gia tốc ngược

chiều nhau. Tuy nhiên, ở bậc THCS, HS không được học gia tốc, vì vậy, việc giới

thiệu lực quán tính mang định tính, nhận biết các hiện tượng xảy ra trong thực tế,

cuộc sống hàng ngày.

Vật đang chuyển động mà có xu hướng giữ nguyên vận tốc thì gọi là vật có

“đà”. Vật đang đứng yên, khó làm chuyển động thì vật có tính “ì”. Lực quán tính

xuất hiện gần như khắp nơi vì tất cả các chuyển động đều có vận tốc thay đổi.

Điểm đặc biệt là lực quán tính không có phản lực.

15

Có thể giải thích và vận dụng các hiện tượng sinh học liên quan đến quán

tính như sau :

a. An toàn trong khi tập luyện thể dục, thể thao, trong lao động

Trong hoạt động hàng ngày, con người cần tránh cơ thể người bị dừng đột

ngột để được an toàn.

- Khi nhảy xuống, người ta nhún chân xuống một chút để tránh chân bị

dừng đột ngột mà khối cơ thể trên vẫn còn đà tiếp tục, tiếp tục đi xuống gây

thương tích. Khi rơi xuống đất cứng, dễ bị thương tích. Khi rơi xuống cất hoặc đất

mềm, khả năng bị thương tích sẽ giảm đi.

- Khi chạy, vấp phải vật cản, chân dừng lại đột ngột. Còn thân hình có đà

tiếp tục tiến phía trước khiến người bị té ngã.

Ngược lại, trong một số trường hợp, quán tính là có lợi : khi lấy đà, có thể

nhảy xa hơn khi đứng yên; để ném tạ ra xa, cần tạo đà cho quả tạ…

b. Các hiện tượng động vật, thực vật thể hiện tính ì hoặc có đà.

- Động vật thường lắc mình để rủ nước. Khi lắc, bô lông thay đổi vận tốc

đột ngột khiến các giọt nước không kịp bám theo, văng ra ngoài.

- Khi bị rượt đuổi, con mồi thường chạy theo hình chữ chi, khiến kẻ bắt mồi

bị mất đà.

- Một số động vật cũng lấy đà để nhảy xa.

- Các động vật nhỏ (côn trùng, ruồi muỗi…) rơi từ trên cao ít bị thương

tích hơn các động vật lớn (chó, mèo, voi…) vì lực quán tính nhỏ do khối lượng cơ

thể động vật nhỏ.

2.2.4. Tinh thần định luật 3 Niutơn

Trong 3 định luật Niutơn thì định luật 3 có nhiều ứng dụng trong thế giới

sinh học và phù hợp với trình độ HS bậc THCS.

Định luật 3 Niutơn phát biểu : “Nếu vật A tác dụng vật B một lực thì vật B

tác dụng lên vật A một phản lực. Lực và phản lực là hai lực trực đối”.

AB BAF F

Ở bậc THCS, HS chưa có khái niệm vectơ, vì vậy, chỉ cần dừng lại ở mức

độ định tính, HS cần nhận ra “nếu có lực thì phải có phản lực” hoặc phải tì vào

16

một vật nào đó để làm lực xuất hiện. Định luật 3 Niutơn có thể được ứng dụng để

giải thích một số hiện tượng chủ yếu liên quan đến chuyển động của con người,

động vật :

a. Di chuyển trên mặt đất

Khi đi, chân người tác dụng một lực lên mặt đất về phía sau. Mặt đất tác

dụng lực lên chân, đẩy người ra phía trước (hình 2.7). Vì vậy, con người có thể đi,

chạy, nhảy được trên mặt đất cứng. khó đi được trên mặt đất trơn trượt.

Hình 2.7 Hình 2.8

Các loại động vật khác khi chạy nhảy, di chuyển trên cạn cũng theo cơ chế

như trên (hình 2.8).

b. Cá bơi trong nước

Khi bơi, cá uốn mình, dùng thân và đuôi đẩy nước về phía sau, nước đẩy cá

về phía trước.

Hình 2.9

17

c. Động vật di chuyển bằng cách phun nước

Một số động vật dưới nước có thể chuyển động bằng cách phụt các khối

chất lỏng về phía sau : mực, sò…

Trên bề mặt bụng, mực ống có một lỗ hổng lớn được bao quanh bởi thành

cơ. Khoang này mở về phía bên cạnh đầu con vật. Nước vào lỗ hổng này qua lỗ

miệng. Sau đó các thành cơ dồn ép nước ra ngoài. Mực di chuyển ngược với chiều

phun của nước (hình 2.10). Hai vây được sử dụng như hai bánh lái.

Hình 2.10

d. Di chuyển của rắn

Rắn có thể di chuyển bằng nhiều cách khác nhau. Trăn dùng cơ bụng đẩy

mặt đất về phía sau, mặt đất đẩy trăn về phía trước khiến trăn di chuyển theo

đường thẳng. Các loài rắn nhỏ uốn thân mình, đẩy mặt đất theo các hướng khác

nhau khiến rắn di chuyển theo chiều ngược lại (hình 2.11). Vì vậy, rắn có thể bò

tới hoặc bò ngang (rắn sa mạc).

Hình 2.11

18

2.2.5. Lực ma sát

Lực ma sát xuất hiện khi hai vật tiếp xúc nhau hoặc trượt lên nhau. Có ba

loại lực ma sát là lực ma sát nghỉ, lực ma sát trượt và lực ma sát lăn.

Cả 3 loại lực ma sát trên có chung một đặc điểm : chúng tỷ lệ với lực ép của

hai vật lên nhau :

F = N

trong đó :

N - lực ép của hai vật lên nhau

- hệ số ma sát (hệ số ma sát nghỉ, trượt hoặc lăn tùy theo trường hợp)

Ngoài ra, điểm giống nhau của 3 loại lực ma sát trên là chúng phụ thuộc vào

bề mặt tiếp xúc. Bề mặt càng xù xì gồ ghề thì hệ số ma sát, tức lực ma sát càng

tăng.

Trong 3 loại lực trên, hệ số ma sát lăn có giá trị nhỏ nhất. Vì vậy để giảm

thiểu lực ma sát, người ta chuyển thành ma sát lăn. Ngược lại để tăng lực ma sát, ta

chuyển sang ma sát trượt hoặc ma sát nghỉ.

Lực ma sát có thể có lợi hay có hại. Người ta thường dùng dầu bôi trơn để

giảm thiểu lực ma sát,

Trong chất lưu (chất khí và chất lỏng), lực ma sát còn được hiểu là lực cản.

Có thể giải thích và vận dụng các hiện tượng sinh học liên quan đến lực ma

sát như sau :

a. Bề mặt của răng cấm

Răng cấm chủ yếu dùng để nhai, nghiền thức ăn. Để làm tốt chức năng này,

bề mặt răng có hình dáng xù xì để tăng lực ma sát (hình 2.12), giữ được thức ăn.

Hình 2.12

19

b. Bao hoạt dịch ở khớp xương

Nơi tiếp giáp giữa các đầu xương gọi là khớp xương. Mặt khớp ở mỗi

xương có một lớp sụn trơn, bóng và đàn hồi, có tác dụng làm giảm sự cọ xát giữa

hai đầu xương. Giữa khớp có một bao đệm chứa đầy chất dịch nhầy do thành bao

tiết ra gọi là bao hoạt dịch (Baker’s cyst). Hoạt dịch có tác dụng nuôi dưỡng và bôi

trơn giúp cho sự chuyển động giữa các khớp xương trở nên dễ dàng (hình 2.13).

Hình 2.13

Nếu hoạt dịch bị khô sẽ dẫn đến bệnh khô khớp. Khi đó, sụn khớp bị tổn

thương, bề mặt khớp không còn trơn nhẵn nữa mà trở nên xù xì, thô ráp, lồi lõm.

Theo thời gian, sụn khớp ngày càng mỏng đi, nứt nẻ…, để trơ lại lớp xương nằm

bên dưới. Hiện tượng tái tạo bất thường để bù trừ mất sụn diễn ra, các ụ xương, gai

xương xuất hiện trên bề mặt xương có thể cọ xát lên lớp màng xương ở các đầu

xương, gây ra tiếng lạo xạo và kèm theo đau. Những người hay mắc chứng khô

khớp thường là người trên 60 tuổi; những bị chấn thương, người trẻ tuổi không

được cung cấp đủ vitamin và khoáng chất; ngoài ra, những người uống nhiều rượu

bia, hút thuốc lá, những người béo phì, người thường xuyên phải lao động nặng do

các khớp bị đè nén nhiều…[29]

Trong các khớp, khớp khối dễ bị tổn thương nhất.

c. Giải thích tại sao da nhăn nheo khi ngâm nước

Hình 2.14

20

Các nhà khoa học trường Đại học Newcastle đã làm thí nghiệm với các tình

nguyện viên và nhận thấy rằng da nhăn nheo sẽ tăng lực ma sát. Bàn tay sau khi

ngâm nước sẽ giữ và bắt đồ vật tốt hơn 12% so với da trơn.

Có nhiều giả thuyết, trong đó cho rằng tổ tiên con người ngày xưa có da bàn

tay nhăn nheo để dễ dàng hái lượm trong các dòng nước hoặc môi trường ẩm ướt.

c. Cá giảm lực cản của nước khi bơi

Các loài cá phải giảm lực cản của nước trong lúc bơi lội. Để thực hiện điều

này, “thiên nhiên” đã phú cho các các khả năng để giảm lực ma sát. Có thể nêu lên

một số phương cách như sau:

- Hình thù của cá phải có hình dáng sao cho lực cản của nước ở mức thấp

nhất.

Đầu cá có dạng “tên lửa” như cá mập, cá nhồng (hình 2.15, 2.16)

Hình 2.15 Hình 2.16

Thân cá dẹp theo chiều ngang (hình 2.17, 2.18)

Hình 2.17 Hình 2.18

21

Thân cá dẹt theo chiều dọc như cá đuối, mực… (hình 2.19, 2.10)

Hình 2.19 Hình 2.10

Thon như cá chình, lươn, rắn biển… (hình 2.21, 2.22)

Hình 2.21 Hình 2.22

- Ngoài ra, da của cá trơn có lớp nhớt dùng để giảm thiểu lực cản của nước

khi bơi. Nếu da có vảy thì vảy có cấu tạo sao cho giảm thiểu tác động của các xoáy

nước để triệt tiêu lực cản.

d. Tắc kè bám vào tường

Từ thế kỷ thứ 4 trước công nguyên, Aristốt đã ngạc nhiên về khả năng của

các loài kỳ đà, có thể bám vào ở mọi tư thế. Điều ngạc nhiên hơn là tắc kè vừa

bám vừa di chuyển với tốc độ vài mét/giây. Lúc đầu, người ta đưa ra các giả thiết

như sau :

- Bàn chân tắc kè hoạt động như một “giác hơi”, tuy nhiên lí thuyết này sau

đó nhanh chóng bị bác bỏ vì tắc kè có thể bám vào thành ở trong môi trường chân

không.

- Chân tắc kè có các móc bám. Tuy nhiên tắc kè vẫn có thể bám vào các bề

mặt rất trơn ?

22

- Chân tắc kè hơi ẩm nên giúp tắc kè bám vào tường (như mảnh giấy ướt

bám vào tường dễ hơn mảnh giấy khô). Tuy nhiên các thí nghiệm chứng tỏ tắc kè

có thể bám vào các mặt phẳng kỵ nước như AsGa.

- Người ta cũng nghĩ đến hiện tượng nhiễm điện nhưng cũng nhanh chóng

bị bác bỏ.

Cuối cùng, khi nghiên cứu cơ chế chân tắc kè, người ta nhận thấy như sau

[31] : Mỗi tắc kè gồm 4 chân, mỗi chân 5 ngón. Mỗi bàn chân có chứa các sợi có

đường kính khoảng 1m. Lực phân tử (lực Wan der walls) chính là tác nhân gây

ra lực hút giữa sợi và bề mặt tiếp xúc (hình 2.23). Một sợi có chịu được lực

200N. Với 6-7 triệu sợi, 4 chân kỳ đà có thể chịu được sức nặng của 130kg.

Hình 2.23

Lực hút này có các đặc điểm sau :

- Do lực phân tử chỉ tác dụng trong phạm vi rất ngắn, nên chỉ cần khẻ nhắc

chân thì chân không còn bám vào tường. Vì vậy, kỳ đà có thể nhấc chân nhẹ nhàng

và di chuyển khá nhanh.

- Lực hút này không để lại dấu vết như keo dính thông thường.

Vì vậy các nhà khoa học hiện nay đang nghiên cứu mô phỏng cơ chế này để

chế tạo các loại keo dính đặc biệt [33].

g. Phát tán hạt giống

Một số cây có khả năng phát tán hạt giống đi rất xa. Chúng hoạt động theo

cơ chế sau :

- Hạt có cánh (hột cây Quao, cây Cám, cây Thông…hình 24), có lông tơ

(hột cây Thuốc bắn, cây Sứ cùi…) tăng lực tác dụng của gió (tức lực cản) để gió

có thể mang đi.

23

Hình 2.24

- Có móc bám (Bồ công anh, Ké đầu ngựa… hình 2.15, 2.26) để tăng lực

bám vào động vật để nhờ động vật chuyển đi.

Hình 2.25 Hình 2.16

h. Phỏng sinh học

Đó là một ngành học mô phỏng hình dáng và cơ chế hoạt động của các sinh

vật để chế tạo các thiết bị có thông số hoạt động tối ưu. Thí dụ, từ hình dáng của

chim đại bàng, người ta thiết kế các kiểu máy bay khác nhau (hình 2.27, 2.28,

2.29) , trong đó sức cản không khí được giảm ở mức thấp nhất.

24

Hình 2.27

Hình 2.28 Hình 2.29

GV có thể giới thiệu hoặc nêu các ứng dụng khác của sinh vật trong kĩ thuật

như nghiên cứu hình dáng cá mập để chế tạo tàu ngầm, nghiên cứu vây cá để chế

tạo lớp phủ lên mặt tàu nhằm hạn chế lực cản, lực xoáy và tiếng ồn…

2.2.6. Áp suất

Áp lực là lực ép có phương vuông góc với mặt bị ép.

Áp suất là độ lớn của áp lực trên một đơn vị diện tích bị ép. Công thức tính

áp suất :

F

PS

Nếu đơn vị của F là niutơn, đơn vị S là m2 thì đơn vị của áp suất là niutơn

trên mét vuông (N/m2), còn gọi là paxcan, kí hiệu là Pa.

Ngoài ra còn có các đơn vị khác của áp suất như sau :

1 Torr = 133,3 Pa = 1mmHg

1 atm = 1,0103.105 Pa = 760 mmHg = 760 Torr.

Áp suất hiện diện khắp nơi, vì vậy, ở bậc THC có thể giới thiệu cho HS 3

trường hợp : áp suất của vật rắn, áp suất chất lỏng và áp suất chất khí. Trong các

25

trường hợp trên, việc cho HS nhận biết áp suất không khí là khó hơn cả. Một đặc

điểm của áp suất không khí và chất lỏng là càng lên cao, áp suất càng giảm, càng

xuống dưới, áp suất càng tăng.

Có thể giải thích và vận dụng các hiện tượng sinh học liên quan đến áp suất

như sau :

a. Các hiện tượng liên quan đến cơ thể người

- Huyết áp : Khi tim đập, tim tạo huyết áp để đẩy máu đi vào các mạch máu

nuôi sống cơ thể. Lực ép của máu lên thành mạch máu tạo thành áp suất lên thành

mạch máu cơ thể.

Độ lớn áp suất này rất quan trọng, là một chỉ số dùng để đánh giá sức khỏe

con người. Nếu áp suất này thấp, máu chưa đủ “lực” để đi đến khắp các mạch máu

trong cơ thể người. Nếu áp suất này cao, có thể gây vỡ mạch máu, nhất là mạch

máu não, có thể gây tử vong.

Để đo áp suất này, còn được gọi là huyết áp , ta dùng máy đo huyết áp (hình

2.30).

Khi tim đập, huyết áp thay đổi từ cực đại (áp lực tâm thu) đến cực tiểu (áp

lực tâm trương).

Nguyên tắc hoạt động của máy đo huyết áp như sau :

Hình 2.30 Hình 2.31

(1) Lúc đầu, túi hơi bị căng, ép sát động mạch khiến máu chưa thể lưu

thông. Tai không nghe nhịp đập của tim (hình 2.31).

26

(2) Cho túi hơi xì dần, áp suất lên thành mạch máu giảm, đến khi máu vừa

lưu thông thì tai nghe tiếng đập đầu tiên. Giả sử áp kế khi đó chỉ 130, đó là huyết

áp cực đại 130 mmHg.

(3) Trong quá trình túi hơi xẹp dần, tai vẫn nghe tiếng nhịp đập, lớn dần và

sau đó nhỏ dần.

Hình 2.32

(4) Khi tiếng nhịp đập cuối cùng vừa dứt, tức là lúc áp suất động mạch lên

túi hơi cũng bằng không. Giả sử khi đó, áp kế chỉ 80. Đó là huyết áp cực tiểu 80

mmHg (hình 2.32).

Vậy, trên bệnh án, huyết áp của người đó được ghi như sau 130/80 mmHg.

GV có thể giới thiệu thêm các loại máy đo huyết áp khác, đồng thời giới

thiệu các biện pháp giữ gìn sức khỏe để có huyết áp nằm trong phạm vi cho phép.

- Giác hơi: Trong một số bệnh, người ta dùng bình giác đặt vào người bệnh.

Người ta tìm cách hút bớt không khí trong bình giác để làm giảm áp suất, do đó

khi áp bình giác lên người sẽ bị áp suất khí quyển ép chặt. Thông thường, giác hơi

chữa các chứng đau do hàn như đau bụng, đau lưng, đau vai, đau gáy, đau cổ...

Hình 2.33

27

Có hai cách để làm giảm áp suất bên trong bình giác : làm nóng hoặc dùng

ống hút.

- Áp suất của người lên mặt đất được tính bằng cách lấy trọng lượng người

chia cho diện tích hai bàn chân.

GV có thể hướng dẫn HS làm bài tập nhỏ như sau : In đế giầy lên một tờ

giấy có kẽ ô vuông, mỗi ô 1 cm2. Đếm số ô vuông, từ đó tính ra diện tích của đế

giầy. Sau đó, cân để biết trọng lượng cơ thể, từ đó, sẽ tính được áp suất của mình

tác dụng lên sàn nhà (hình 2.34)

.

Hình 2.34

b. Áp suất nước liên quan đến đời sống động vật.

Càng đi xuống dưới sâu, áp suất nước biển càng tăng, vì vậy, một số động

vật chỉ có thể lặn đến một độ sâu nhất định [29].

Bảng 2.6

Động vật Độ sâu tối đa (m)

Rái cá 18

Cá heo 20

Gấu biển 75

Sư tử biển 150

Chó biển Weddell 450

Cá nhà táng 1200

Ngược lại, các động vật sống dưới biển sâu khi lên bờ, do áp suất giảm, sẽ

bị phồng to hoặc các bong bóng phồng lên, đẩy nội tạng ra ngoài (hình 2.35) [31].

28

Hình 2.35

2.2.7. Lực đẩy Ác-si-mét

Một vật nhúng vào chất lỏng (chất khí) bị chất lỏng (chất khí) đẩy thẳng

đứng từ dưới lên với lực có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật

chiếm chỗ. Lực này gọi là lực đẩy Ác-si-mét.

Công thức tính lực đẩy Ác-si-mét :

F = d.V

Trong đó :

D là trọng lượng riêng chất lỏng

V là thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.

Lực đẩy Ác-si-mét được ứng dụng để giải thích sự chìm, nổi của vật. Gọi P

là trọng lượng của vật. Nếu :

F > P : vật nổi

F = P : Vật lơ lửng trong chất lỏng

F < P : vật chìm

Có thể giải thích theo cách khác. Đặt P = d’V, trong đó d’ là trọng lượng

riêng của vật.

F > P d.V > d’V d > d’ : vật nổi

F = P d = d’ : vật lơ lửng trong chất lỏng

F < P d < d’: vật chìm

Trong sinh học, lực đẩy Ác-si-mét chủ yếu dùng để giải thích sự nổi, chìm

của các động vật.

a. Giải thích tại sao cá, mực có thể bơi lên xuống trong nước.

29

Bong bóng cá (hình 2.37) là một nội quan của các loài cá, có hình dạng như

một chiếc túi chứa không khí. Vị trí bong bóng trong cá (hình 2.38) giúp cá có thể

điều chỉnh được tỉ trọng và khả năng nổi của mình, điều này khiến cá có thể lơ

lửng ở một độ sâu nhất định mà không cần phải bơi.

Hình 2.37

Hình 2.38

Bong bóng cá giúp cá có các tư thế sau :

- Lơ lửng trong nước : khi đó, lực đẩy Ác-si-mét cân bằng với trọng lượng.

Cá có thể lơ lửng mà không dùng đến chuyển động của các vây, vì vậy tư thế này

không tốn năng lượng để duy trì. Với tư thế này, cá có thể ăn, sinh sản, trốn tránh

kẻ thù…

- Khi cá giảm thể tích bong bóng, thể tích cơ thể giảm, tỷ trọng của cá tăng,

lực đẩy Ác si mét giảm, cá đi xuống. Ngược lại, khi tăng thể tích bong bong, thể

tích thân cá tăng, tỷ trọng cá giảm, lực đẩy Ác si mét lớn hơn trọng lượng cá, cá sẽ

đi lên và nổi trên mặt nước.

Khi cá chết, do không duy trì được lực để điều khiển, bong bóng bị nở ra

hết cỡ, thể tích cá tăng cực đại, cá nổi trên mặt nước. Vì bong bóng nhẹ nhất nằm

lên phía trên nên cá chết nổi “phơi bụng”.

30

Mực có nang cấu tạo bởi xương xốp khối lượng riêng 0,62kg/m3. Phần còn

lại của cơ thể có khối lượng riêng 1.067 kg/m3. Kết quả là khối lượng riêng của

mực xấp xỉ bằng khối lượng riêng nước biển 1,026 kg/m3. Do đó, mực có thể bơi

lơ lửng trong nước.

Bình thường, cá sấu nổi trên mặt nước. Để lặn sâu xuống nước cá sâu ngậm

thêm đá [38]. Ngoài ra, nuốt đá giúp cá sấu dễ dàng nghiền thức ăn chứa trong

bụng.

Hình 2.38

b. Lực đẩy Ac-si-mét của nước với con người

Khối lượng riêng trung bình của người biến thiên từ 945 kg/m3 khi hít vào

(thể tích người tăng) đến 1020 kg/m3 khi thở ra (thể tích người giảm).

Nước ngọt ở 40 C có khối lượng riêng 1000 kg/m3, ở 200C là 998 kg/m3. Vì

vậy con người có thể lơ lửng trong nước. Nước biển có khối lượng riêng từ 1025

kg/m3 đến 1035 kg/m3 nên người dễ nổi ở biển hơn ao hồ nước ngọt. Đặc biệt Biển

Chết có khối lượng riêng 1240 kg/m3 nên con người có thể nổi hòan toàn trên mặt

nước mà không phải bơi (hình 2.39).

Hình 2.39

31

2.2.8. Âm thanh

Âm thanh là các dao động cơ học lan truyền trong vật chất. Âm thanh là

sóng, được đặc trưng chủ yếu bởi tần số, biên độ và tốc độ lan truyền. Âm thanh

phát ra từ các nguồn dao động. Để âm thanh truyền đi cần có môi trường vật chất,

vì vậy, âm thanh không truyền được trong chân không.

Tai nghe được sóng âm có tần số từ 20Hz đến 20 kHz. Tần số thấp hơn gọi

là hạ âm, cao hơn là siêu âm. Tai người không nghe được siêu âm hay hạ âm.

Độ to của âm có đơn vị là đê xi ben (dB). Ngưỡng đau (làm nhức tai) là 130

dB, ngưỡng nghe là 0 dB.

a. Nguồn gốc âm thanh do người và các động vật phát ra

- Tiếng nói của người sinh ra nhờ sự dao động của hai nếp gấp đàn hồi

Hình 2.40 Hình 2.41

nằm trên thanh quản gọi là các dây âm thanh. Đó là hai cơ mỏng nằm sóng nhau

theo chiều dọc của thanh quản (hình 2.40, 2.41).

Khi nói, không khí từ

phổi đi lên thanh quản làm cho

dây âm thanh dao động phát ra

âm.

Hình 2.42

32

Ở phụ nữ, và trẻ em, các dây âm thanh thường mảnh và ngắn (12,5 mm–

17mm) nên tần số phát ra cao hơn nam giới có dây thanh quản dài hơn (17mm-

23mm). Các dây thanh quản có thể thay đổi chiều dài từ 3mm đến 4mm để có thể

phát ra các âm trầm bổng khác nhau (hình 2.42, 2.43).

Để phát âm bổng, các dây thanh quản phải căng để dao động nhanh.

Hình 2.43

- Một số côn trùng phát ra âm thanh do sự cọ xát giữa chân và cánh hoặc

giữa các cánh với nhau. Chân côn trùng có nhiều khe, cánh có nhiều gai móc.

Dế trưởng thành đều có hai đôi cánh. Cánh trước tương đối cứng, có tác

dụng phát tiếng kêu và bảo vệ cơ thể. Cánh trước của dế đực thông thường có các

loại gân cánh đan xen ngang dọc hoặc song song, giữa gân cánh hình thành cửa sổ

cánh trong suốt (hình 2.44). Còn phía dưới gân ngang của cánh phải trước có một

loạt mấu răng cưa nổi lên, hình thành âm răng.

Khi dế đực kêu, âm răng của cánh phải trước và gân ngang của cánh trái

trước không ngừng cọ xát vào nhau, lôi kéo sự cộng hưởng của cửa sổ cánh trong

suốt, làm phát ra âm thanh (hình 2.45).

Hình 2.44 Hình 2.45

33

Ve sầu đực tạo âm thanh bằng cách rung hai cái "loa" làm bằng màng

mỏng, phát triển từ lồng ngực, có sườn bên trong. Những vòng sườn được co giãn

thật nhanh, làm rung màng mỏng, tạo sóng âm thanh.

Khi bay, các động vật cũng phát ra âm thanh. Muỗi vỗ cánh nhanh hơn ong

nên tiếng “ o o “ do muỗi phát ra nghe cao hơn ong.

Con ong khi về tổ, có mang theo các sản phẩm của hoa thì cánh đập trung

bình 300 lần trong một giây. Còn khi bay thì đập 440 lần trong một giây. Vậy, dựa

vào tiếng kêu vo vo của ong, có thể nhận biết được ong đang đi lấy mật hay đang

trở về tổ.

b. Phản xạ âm và vành tai

Khi gặp vật chắn, âm thanh bị phản xạ quay lại. Đó là sự phản xạ âm.

Vành tai của người có hai chức năng : phản xạ âm để hướng âm thanh vào

ông tai đồng thời giúp người xác định hướng của nguồn âm (hình 2.46). Đối với

động vật, tai còn có tác dụng tỏa nhiệt [37].

Hình 2.46

c. Môi trường truyền âm

Âm truyền trong môi trường vật chất với một tốc độ xác định. Thông

thường, tốc độ âm trong chất rắn là lớn nhất, kế đến là chất lỏng và cuối cùng là

chất khí.

Nhờ có môi trường truyền âm mà các động vật có thể liên hệ với nhau bằng

âm thanh. Chim chóc, truyền giọng hát qua không khí. Các loại cá truyền sóng âm

trong môi trường nước. Đặc biệt, voi có thể truyền âm qua đất .

34

Hình 2.47

Voi có thể cảm nhận sóng âm trước động đất bằng lớp da bàn chân và vòi.

Khi đó, voi nghiêng về phía trước và dồn trọng tâm lên chân trước để tăng mức độ

nhạy cảm của bàn chân (hình 2.47). Cũng bằng cách truyền âm như thế, voi mẹ có

thể thông báo nguy hiểm cho voi con cách xa hàng km.

Khi một ụ mói bị đe dọa, mối đập đầu xuống mặt đất 11 lần /giây. Âm này

được truyền đi khoảng 38cm. Các con mối khác nhận được tín hiệu và tiếp tục đập

đầu xuống đất. Như thế tín hiệu báo nguy đã được truyền đi [34].

d. Con người, động vật và siêu âm

Tai người không nhận biết được siêu âm là những âm có tần số trên 20kHz.

Tuy nhiên, một số loại động vật có khả năng nhận biết và sử dụng khả năng này

trong giao tiếp, liên lạc và săn bắt mồi. Loài dơi sử dụng khả năng định vị bằng

sóng siêu âm (sonar) để phát hiện con mồi. Đầu tiên, chúng phát một chuỗi sóng

siêu âm vào môi trường xung quanh. Khi chạm vào con mồi, các sóng này bị bật

ngược trở lại. Dơi thu nhận những tín hiệu dội ngược đó để định hướng con mồi.

Càng đến gần đối tượng, các tín hiệu của dơi càng gấp gáp hơn, và cuối cùng tạo

thành tiếng vo vo ngay trước khi nó chuẩn bị tấn công. Ngoài ra, dơi còn biết được

nếu tai trái nhận âm phản xạ trước tai phải thì con mồi đang chuyển động sang trái.

Nhờ vậy dơi còn nhận ra hướng di chuyển của con mồi (hình 2.48).

35

Một số động vật khác như cá heo, cá voi, chó biển cũng có cơ quan định vị

bằng siêu âm.

Trong y học, siêu âm được dùng để chẩn đoán bệnh.

Hình 2.48

e. Con người, động vật và hạ âm

Hạ âm là các âm có tần số nhỏ hơn 20 Hz. Các nguồn hạ âm trong thiên

nhiên là như bão mặt trời, va chạm của sao băng, gió biển, biển động mạnh, núi

lửa phun,... Người ta cũng thấy, khi bão thường có sóng hạ âm tần số 6Hz truyền

đi với tốc độ 1.200km/giờ, vượt trước cơn bão rất xa.

Tai người không nghe hạ âm, tuy nhiên, những nghiên cứu hiện nay cho

thấy hạ âm gây nguy hại đén sức khỏe con người. Có thể giải thích như sau. Các

cơ quan trong cơ thể người dao động với tần số thấp. Qua những nghiên cứu sinh lí

học cho thấy, lục phủ ngũ tạng trong cơ thể con người vốn có tần số chủ yếu nằm

trong khoảng từ 3 - 17Hz. Ví dụ các nội tạng phần bụng có tần số cố định từ 4 -

8Hz, phần đầu có từ 8 - 12Hz, tim là 5Hz. Nếu như chu kỳ của sóng hạ âm trùng

khớp hay gần với chu kỳ của những dao động ấy thì sẽ nảy sinh một cộng hưởng

và điều này là có hại cho cơ thể. Khi cơ thể bị tác động bởi sóng hạ âm có cường

độ lớn, cùng tần số với tần số vốn có của cơ quan nội tạng ở cơ thể thì ngay lập tức

sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng gây nguy hại. Ví dụ hạ âm có tần số 8Hz trùng

với nhịp dao động tần số của não sẽ gây ra cảm giác lo sợ, chán nản, bối rối, tức

giận... Người ta nhận thấy những khi đó, tai nạn giao thông cũng dễ xảy ra hơn,

những bệnh nhân tim mạch cũng hay bị tai biến hơn.

Một số động vật cũng nhạy bén với hạ âm.

Sứa là động vật biển nhạy cảm với hạ âm, vì vậy, chúng lặn sâu dưới đáy

biển từ 10-15 giờ trước khi cơn bão đến.

36

Hạ âm do cá voi phát ra có thể đi được hàng ngàn km vì nước biển truyền

âm tốt. Cá voi dùng hạ âm để liên lạc, tìm kiếm thức ăn, gọi bạn tình hoặc cảnh

báo nguy hiểm.

Voi là động vật sử dụng hạ âm trong liên lạc, có thể truyền đi hàng chục km

trong đất. Cách giao tiếp này giúp voi liên hệ nhau trong cộng đồng.

Hình 2.49

Loại đà điểu (cassowary) có thể phát ra sóng gần vùng hạ âm. Bồ câu núi

(rock-dove) và một số loài chim khác có thể ghi nhận âm có tần số nhỏ hơn

0,5Hz.

Bồ câu dùng hạ âm để định hướng. Vì vậy, nếu xuất hiện các hạ âm do các

nguồn nhân tạo (máy bay, tên lửa...) phát ra, bồ câu có thể bị mất định hướng.

Chim có thể nhận biết hạ âm do các cơn bão phát ra và biết cách phòng

tránh. Tháng 4 năm 2014, một trận cuồn phong khủng khiếp gây thiệt hại ở miền

nam Florida, Mỹ. Điều ngạc nhiên là chim chích cánh vàng (golden-winged

warblers, hình 2.50) biết trước bão sẽ đến và đã đi di cư trước đó hai ngày [35].

Hình 2.50

37

Hạ âm của voi có tần số khoảng 21Hz và voi có thể xác định vị trí của các

cá thể trong đàn và có thể phân biệt cá thể trong gia đình, cộng đồng và cá thể lạ.

Vào tháng 12 năm 2014, một trận động đất lớn xảy ra tại Đông Nam Á,

sóng thần tràn vào bờ cướp đi sinh mạng khoảng 200.000 người. Tuy nhiên

những con voi trong vườn sở thú lại an toàn. Nhờ nhạy cảm với hạ âm, chúng tìm

chỗ trú ẩn trên cao trước khi sóng thần ập đến. Các động vật cũng biết cách trú ẩn

trước khi gặp thiên tai. Tuy nhiên, người ta cho rằng động vật có giác quan thứ sáu

giúp chúng tồn tại trên Trái Đất hàng triệu năm nay.

Ông H.D. Ratnayake, giám đốc trung tâm Bảo tồn Động vật hoang dã nói

sau khi sáng thần quét qua Sri lan ca năm 2004: “Không một con voi hay thỏ rừng

nào bị chết. Chúng có giác quan thứ sáu. Chúng biết điều gì sẽ xảy đến”

2.3. Các nội dung nhiệt học liên quan đến sinh học

Trong phần vật lí bậc trung học cơ sở, phần nhiệt học khai thác các vấn đề

sau :

- Sự nở vì nhiệt của chất rắn, lỏng và khí.

- Sự nóng chảy và sự đông đặc.

- Sự bay hơi và sự ngưng tụ.

- Sự sôi.

- Chuyển động của các phân tử, nguyên tử.

- Nhiệt năng.

- Sự dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ nhiệt

- Nhiệt lượng

- Phương trình cân bằng nhiệt

- Năng suất tỏa nhiệt của các nhiên liệu.

- Sự bảo toàn năng lượng trong các hiện tượng cơ và nhiệt.

- Động cơ nhiệt.

Các kiến thức có thể vận dụng vào sinh học để giải thích các hiện tượng :

- Sự chuyển động của các phân tử : giải thích các hiện tượng khuếch tán,

thẩm thấu, sự bay hơi, hóa hơi, dẫn nhiệt…

38

- Nhiệt dung riêng : giải thích tốc độ truyền nhiệt, chất cách nhiệt, chất dẫn

nhiệt, tốc độ thoát nhiệt của các cơ thể sống, cơ chế giữ cân bằng nhiệt,

- Hiện tượng bay hơi : Sự bay hơi làm cho vật lạnh đi do đó vận dụng vào

giải thích sự điều chỉnh nhiệt độ cơ thể người, của các loại động vật; cơ chế của

các loại thực vật chống sự bay hơi vào mùa hè; cách các động vật và thực vật

chống nóng;

2.3.1 Sự chuyển động của các phân tử, sự truyền nhiệt

Chuyển động nhiệt là cơ sở của các quá trình sinh học. Theo thuyết động

học phân tử, các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng và được gọi là

chuyển động nhiệt. Chuyển động này tạo ra nội năng của vật. Vật có nhiệt độ càng

cao thì nội năng càng lớn. Nói cách khác, động năng trung bình của các phân tử

2d

1E mv

2

tỷ lệ với nhiệt độ

2d

1 3E mv kT

2 2

trong đó k = 1,38 10-23 J/mol.K được gọi là hằng số Bonzman.

Khi chuyển động, các phân tử gây áp suất lên thành bình :

pV = NkT

trong đó N là tổng số phân tử trong bình có thể tích V và p là áp suất.

Trong sinh học, sự chuyển động của các phân tử giải thích rất nhiều hiện

tượng như sự bay hơi, khuếch tán, sự dẫn nhiệt, áp suất thâm thấu…

a. Tính toán thời gian khuyếch tán

Nếu xem S là khoảng cách giữa điểm xuất phát và điểm cuối cùng, L là

quảng đường tự do trung bình (khoảng cách giữa hai lần va chạm), v là tốc độ

chuyển động của phân tử trong môi trường thì thời gian để phân tử khuếch tán

trên đoạn đường S là :

2St

L.v

Thí dụ : trong nước, ở nhiệt độ bình thường, tốc độ trung bình của phân tử

là 104 cm/s, quãng đường tự do là 10-8 cm, để đi được 1cm thì cần có thời gian là :

39

2 24

8 4

S (1)t 10 s 2,8h

L.v 10 10

Như thế, để đi được đoạn đường 10-3 cm (tương ứng khoảng cách giữa hai

mô) thì cần thời gian cỡ 10-2s.

Trong chất khí, khoảng cách trung bình lớn hơn nên tốc độ khuyếch tán lớn

hơn. Với cùng điêu kiện như thí dụ trên, trong chất khí, với L 10-5cm thì để đi

được 1cm, phân tử mất thời gian 10s và để đi được 10-3cm cần 10-5s.

Vì vậy, các quá trình sinh hóa trong cơ thể sống đều phải có thời gian.

b. Khuyếch tán qua màng

Việc khuyết tán qua màng phụ thuộc vào độ thẩm thấu của màng. Một số

màng chỉ cho phân tử nước đi qua được gọi là hiện tượng thẩm thấu. Lượng phân

tử J đi qua màng phụ thuộc vào nồng độ phân tử C1 và C2 ở hai bên màng :

J = P(C1 – C2)

trong đó P được gọi là hệ số thẩm thấu.

Phổi người chứa 300 triệu alveoli có đường kính từ 0,1 đến 0,3 mm. Tổng

diện tích của alveoli là 100m2, cao gấp 50 lần diện tích của da. Khoảng cách giữa

lớp alveoli và máu trong mao mạch cỡ 410-5 cm nên hiện tượng khuyếch tán xảy

ra rất nhanh. Khi thở sâu, có khoảng 70% lượng không khí hít vào được trao đổi

trong phổi.

Các động vật có thể thở bằng da thông qua khuyếch tán. Cơ thể người tiêu

thụ 2% Ôxi thông qua da, phần còn lại qua phổi. Đối với các động vật nhỏ, việc

thở bàng da quan trọng hơn. Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ với khối lượng cơ thể. Khối

lượng lại tỷ lệ với thể tích. Lượng khí Ôxi khuyếch tán qua da tỷ lệ với diện tích

của da. Gọi S và V lần lượt là diện tích và thể tích của cơ thể thì :

2

3

S R 1

V R R

Vậy, nếu động vật có kích thước nhỏ, R giảm thì S/V tăng, điều đó có nghĩa

là với cùng một đơn vị thể tích, cơ thể càng nhỏ thì có diện tích càng lớn.

Do đó, vào kỳ ngủ đông, khi mà lượng tiêu thụ Ôxi ở mức thấp nhất, ếch có

thể thở bàng da trong suốt mùa đông dưới đáy hồ ở nhiệt độ 4oC.

40

Tất cả các cơ quan trong cơ thể người trao đổi Ôxi thông qua máu. Riêng

giác mạc không có mạch máu (để trở nên trong suất). Giác mạc sẽ trao đổi Ôxi

thông qua sự khuếch tán khi tiếp xúc với nước mắt. Vì vậy, các kính áp tròng phải

được cấu tạo như thế nào để không làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi này.

c. Nhiệt độ môi trường với cơ thể sống

Nhiệt độ môi trường là nhân tố ảnh hưởng rất mạnh mẽ đến cơ thể sống.

Tốc độ trao đổi chất, các quá trình phân chia tế bào cũng như hoạt động của enzim

đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Tốc độ này tăng theo nhiệt độ, trung bình nếu nhiệt

độ tăng thêm 10oC thì tốc độ này tăng 2 lần.

Nước là thành phần chủ yếu của cơ thể sống và quá trình trao đổi chất chỉ

xảy trong phạm vi nhiệt độ từ 20C đến 1200C. Những sinh vật bậc thấp có phạm vi

nhiệt độ gần đến các ngưỡng ở trên trong khi sinh vật bậc cao có pham vi nhiệt độ

thấp hơn.

Hoạt động của cơ thể sống còn phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ theo

mùa. Quá trình trao đổi chất của các loại bò sát được giảm đến mức tối đa vào mùa

đông; ngược lại vào mùa hè, chúng phải tìm chỗ để tránh nóng.

Sau đây là sự trao đổi năng lượng khi cơ thể hoạt động ở các trạng thái khác

nhau :

Bảng 2.6

Hoạt động Mức trao đổi năng lượng (J/m2.h)

Ngủ 146.3

Nằm nghỉ 167.2

Ngồi 209

Đứng 250.8

Đi bộ (3m/phút) 585.2

Làm việc bình thường 627

Đi xe đạp 1045

Chạy 2508

41

2.3.2 Năng lượng cần cho con người

Mọi cơ thể sống đều cần năng lượng. Năng lượng này được dùng để làm

máu lưu thông, phát triển tế bào, làm cơ bắp hoạt động… Một người khối lượng

70kg nằm nghỉ cũng cần một năng lượng là 293 KJ/h.

Năng lượng cần thiết cho hoạt động cơ thể người phụ thuộc vào khối lượng

và thể trạng của người. Tuy nhiên trong một hoạt động nhất định, lượng năng

lượng trao đổi trên một đơn vị diện tích của mọi người gần như là bằng nhau. Đại

lượng này gọi là tốc độ trao đổi (metabolic rate), đơn vị là J/m2.h. Vì vậy, để xác

định năng lượng trao đổi của một người, ta cần tính diện tích của người theo công

thức :

Diện tích (m2) = 0,202 W0,425 H0,725

Trong đó : W là khối lượng (kg) và H là chiều cao (m) cơ thể.

Như thế, một người khối lượng 70kg cao 1,55 m có diện tích là 1,70 m2, khi

nằm nghỉ cần năng lượng là 162,7 J/m2.h 1,70 m2 = 277 J/h

a. Năng lượng từ thực phẩm

Năng lượng hóa học mà động vật thu nhận được là quá trình Ôxi hóa của

thực phẩm. Thí dụ phân tử đường glucô bị Ôxi hóa theo phương trình sau :

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O + năng lượng.

Nếu cơ thể tiêu thụ 1gam đường thì giải phóng 16 J.

Không phải mọi thực phẩm đều giải phóng năng lượng như nhau. Trung

bình, đường giải phóng 16 J/g, mỡ 37 J/g, rượu 30 J/g. Để phản ứng Ôxi được xảy

ra, cần có các chất xúc tác trong cơ thể, được gọi là enzim. Ngoài ra, Ôxi rất cần

thiết cho quá trình Ôxi hóa. Để giải phóng 4,83 Cal cần 1kg Ôxi.

b. Năng lượng tiêu thụ hàng ngày của cơ thể

Năng lượng này phụ thuộc vào hoạt động của con người.

Bảng 2.7

Hoạt động Năng lượng tiêu thụ J/m2.h)

8h ngủ (146 J/m2.h) 1170

8h lao động bình thường (627 J/m2.h) 5016

4h đọc sách, viết, xem TV (250 J/m2.h) 1003

42

1h luyện tập thể thao (1250 J/m2.h) 1254

3h cho hoạt động khác (418 J/m2.h) 1254

Tổng 9697

Các loại thực phẩm khác nhau cung cấp các năng lượng khác nhau

Bảng 2.8

Thực phẩm Tổng khối

lượng

(g)

Prôtêin

(g)

Đường

(g)

Mỡ

(g)

Tổng năng

lượng

(J)

Sửa (1,13lít) 976 32 48 40 2759

Trứng (1 quả) 50 6 0 12 314

Hamburger 85 21 0 17 1024

Nước Ca rốt 150 1 10 0 188

Khoai tây 100 2 22 0 418

Táo 130 0 18 0 293

Bánh mì 23 2 12 0 230

Nếu có một vài thành phần như nước, muối … nhiều hơn nhu cầu cơ thể thì

cơ thể loại trừ.

Tuy nhiên cơ thể không có cơ chế loại bớt năng lượng dư thừa. Chúng sẽ

tích tụ thành các mô mỡ.

2.3.3 Các kiểu truyền nhiệt

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của 1kg chất

lên 1oC. Đơn vị của nhiệt dung riêng là J/kg.độ. Như vậy, nếu vật có nhiệt dung

riêng lớn thì càng tốn nhiều năng lượng hơn để làm tăng lên cùng một nhiệt độ so

với vật có nhiệt dung riêng nhỏ.

Cơ thể con người chứa nước, prôtêin, mỡ, khoáng chất. Nhiệt dung riêng

của cơ thể là 3470 J/kg.độ so với nước là 4186 J/kg.độ

Nhiệt dung riêng có liên quan đến việc truyền nhiệt

Có 3 kiểu truyền nhiệt cơ bản :

43

- Tiếp xúc : Các vật khi tiếp xúc thì nhiệt lượng truyền từ vật nóng sáng vật

lạnh. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật. Chất

rắn dẫn nhiệt tốt. Trong chất rắn, kim loại dẫn nhiệt tốt nhất.

- Đối lưu : là sự trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng hoặc khí. Các luồn chất

lỏng hoặc khí có nhiệt độ khác nhau sẽ chuyển động thành luồng và trao đổi nhiệt

cho nhau.

- Bức xạ nhiệt : Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt thông qua các sóng điện từ.

Bức xạ nhiệt có thể xảy ra ngay trong chân không.

Bảng 2.9 : độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của một số vật liệu.

Chất Khả năng dẫn nhiệt

(Xem khả năng dẫn nhiệt của

không khí là 1)

Nhiệt dung riêng

Len 2 1162

Gỗ 7 1700

Nước 25 4200

Thủy tinh 44 837

Đất 65 800

Nước đá 88 1800

Thép 2860 460

Nhôm 8770 880

Đồng 17370 380

Bạc 17720 234

Tuy không thành quy luật chính thức, qua bảng trên, ta nhận xét thấy chất

có nhiệt dung riêng lớn thì độ dẫn nhiệt kém. Các chất dẫn kém thường dùng làm

vật cách nhiệt.

a. Giải thích các hiện tượng liên quan đến sự nóng lạnh của cơ thể

- Cơ thể con người cảm thấy nóng nực nếu không có sự thoát nhiệt. Vì vậy,

trong căn phòng ẩm ướt nhiệt độ thấp, ta cảm thấy nóng hơn ở vùng thoáng nhiệt

độ cao. Lí do độ ẩm trong không khí cao ngăn cản sự bay hơi của cơ thể.

44

- Trong cùng căn phòng khi sờ tay vào kim loại, ta cảm thấy lạnh hơn khi

sờ vào gỗ. Không phải vì nhiệt độ kim loại thấp hơn gỗ mà vì kim loại dẫn nhiệt

tốt hơn gỗ nên sẽ lấy nhiệt lượng từ tay tốt hơn gỗ.

- Các chất liệu dẫn nhiệt kém được dùng làm quần áo, chăn, nệm để giũ ấm

cho cơ thể. Do dẫn nhiệt kém nên nhiệt lượng cơ thể khó thoát ra ngoài.

- Đứng ở những nơi có gió, ta cảm thấy lạnh hơn nơi đứng gió. Gió làm

tăng quá trình bay hơi của cơ thể.

b. Động vật giữ ấm vào mùa đông

Vào mùa đông, một số động vật thay đổi cơ chế sinh lí và nhu cầu hoạt

động để thích ứng với cái lạnh. Về mặt vật lí, có hai cơ chế đặc biệt như sau :

- Lớp mỡ dày lên. Lớp mỡ có hai tác dụng : tác dụng thứ nhất là cách nhiệt.

Mỡ là lớp cách nhiệt tốt giúp cho cơ thể không thoát nhiệt ra bên ngoài. Tác dụng

thứ hai là lớp mỡ chứa nhiều năng lượng giúp cho các động vật chống lạnh. Đó là

cá heo, cá voi, chó biển, hải báo…có cơ chế chống lạnh như trên. Gấu Bắc cực có

lớp mỡ dày đến 11,5 cm để chống lạnh . [41]

- Bộ lông của động vật dày lên. Lông tạo ra lớp không khí cách nhiệt trên

lớp da. Ngoài ra, bộ lông không cho luồn gió len lỏi vào để ngăn cản quá trình bay

hơi (hình 2.51).

Hình 2.51

Khi so sánh với các vật liệu cách nhiệt nhân tạo, người ta nhạn thấy bộ lông

của gấu Bắc cực có chức năng chống lạnh tuyệt vời : một lớp sợi nhân tạo dày

45

50cm chỉ có thể giữ căn phòng ở nhiệt độ 20C trong môi trường -50C trong khi

lớp lông gấu dày 5cm có khả năng giữ ấm cơ thể ở nhiệt độ 370C trong môi trường

– 400C. [42]. Để giải thích điều này, các nhà khoa học nhận ra bộ lông còn có

chức năng tán xạ tia hồng ngoại, giúp tạo lớp bức xạ chống lạnh (radiative shield)

cho cơ thể [42]. Tương tự, vào mùa đông, chìm xù lông để giữ ấm.

Ngoài ra, các động vật có máu nóng sẽ khó chống chọi mùa đông nếu nhiệt

độ xuống rất thấp vì khi đó, máu đông lại, sẽ phá vỡ cấu trúc của tế bào. Vì vậy,

một số loại thằn lằn hoặc ếch chống rét bằng cách gia tăng đường và glycerol trong

máu khiến nhiệt độ đông đặc của máu giảm xuống.

2.3.4 Sự bay hơi

Sự bay hơi là hiện tượng hóa hơi xảy ra trên bề mặt chất lỏng. Cần cung cấp

năng lượng để các phân tử chất lỏng thoát ra ngoài, nói cách khác, khi bay hơi chất

lỏng lạnh đi.

a. Điều chỉnh nhiệt độ của cơ thể người

Ở nhiệt độ bình thường của da, nhiệt hóa hơi là 2,42 J/g, nghĩa là có khoảng

2420 J bị lấy đi khi 1 lít mồ hơi bay hơi hoàn toàn.

Sự bay hơi còn phụ thuộc vào tốc độ gió trên bề mặt cơ thể. Ở 200C, tốc độ

gió 30cm/s, năng lượng mất nhiều hơn khi không có gió ở 150C. Trong môi trường

nóng nực, cơ thể tiết mồ hôi, tăng cường sự bay hơi để làm giảm nhiệt độ cơ thể.

Vì vậy, lao động trong môi trường nóng nực đòi hỏi cỏ thể phải được bù đắp nước.

Trong ngày hè, việc duy trì lượng nước uống thích hợp là điều quan trọng đối với

nhiều chức năng của cơ thể như vận chuyển chất dinh dưỡng, tiêu hóa, loại bỏ chất

thải, bôi trơn khớp, tản nhiệt. Mất nước cũng là nguyên nhân của nhiều triệu chứng

đau đầu, chóng mặt, huyết áp giảm… nặng có thể dẫn đến tử vong.

Vào mùa đông, cơ thể người chống lạnh bằng cách giảm sự thất thoát nhiệt

và tăng sản xuất nhiệt. Khi nhiệt độ môi trường giảm các mao mạch co lại, giảm

lượng máu đến da, tuy nhiên cơ chế này chỉ có tác dụng nếu nhiệt độ còn trên

190C. Ngoài ra,cơ thể run lên để chống lạnh. Khi đó, một phần cơ năng chuyển

thành nhiệt năng. Khi run, cơ thể tạo ra 1045 J/m2 trong 1 giờ.

b. Một số cách chống nóng và hạn của các động vật [43]:

46

- Hấp thụ nước qua da : thằn lằn gai (Thorny Devil) ở Úc có thể hấp thụ

nước qua da như giấy thấm (hình 2.52).

Hình 2.52

- Hạn chế tiếp xúc với cát nóng : loài rắn độc Mojave Desert ở Mỹ hoặc

Namib Desert viper ở Châu phi có cách bò sao cho chỉ có hai chỗ là tiếp xúc với

mặt cát nóng (hình 2.53).

Hình 2.53

- Tự tạo bóng mát : Với chiếc đuôi to, loại gặm nhắm này có thể tạo ra bóng

mát ở mọi lúc (hình 2.54).

Hình 2.54

47

- Tích trữ mỡ : các loài lạc đà có các bướu để chứa mỡ, là nguồn dự trữ thức

ăn và nước (hình 2.55).

Hình 2.55

- Thoát nhiệt qua các bộ phận của cơ thể . Tai to giúp cho động vật nghe rõ

hơn nhưng đồng thời thời cũng giúp thoát nhiệt đáng kể vì tai có chứa nhiều mạch

máu (hình 2.56).

Hình 2.56

Loài Kan-gu-ru Châu úc liếm phía dưới bàn chân trước, vị trí có chứa nhiều

mạch máu, giúp cho việc thoát nhiệt tốt hơn (hình 2.57).

Hình 2.57

48

Một số động vật khi nóng giải nhiệt bằng cách thè lưỡi. Nước dãi bay hơi

làm lưỡi lạnh đi (hình 2.58).

Hình 2.58

c. Cây cối thích ứng với điều kiện khô nóng ở sa mạc

-Tích nước : cây tích nước trong nạc, cuống hoặc rễ. Đặc biệt cây ở sa

mạc có nạc dày, thân mọng nước. Tất cả các loại xương rồng đều tích nước. [44]

- Háo nước : thông thường, mưa ở sa mạc rất nhanh, cát sa mạc cũng không

giữ nước lâu, nên bộ rễ cây có khả năng hấp thụ nước rất nhanh. Bộ rễ dày, có thể

ăn sâu đến 9m (hình 2.59, 2.60). [48]

Hình 2.59

Hình 2.60

- Giữ nước : cuống và lá của một số loài cây có lớp biểu bì phủ sáp để tránh

bốc hơi nước. Diện tích của lá nhỏ đi. Cây thùa [45] (agave) chỉ còn ít lá (hình

49

2.61), trong khi ở cây xương rồng [46] lá biến thành gai để hạn chế sự bay hơi

(hình 2.62, 2.63). Các loại khác như Boojum, Bursera…thì rụng lá vào mùa khô.

Hình 2.61 Hình 2.62

Hình 2.63

- Thay đổi cơ chế quang hợp : một số cây cối có cơ chế quang hợp CAM

(Crassulacean Acid Metabolism). Các khí khổng mở ra vào ban đêm và lưu giữ khí

CO2 dưới dạng axit hữu cơ. Ban ngày các khí khổng đóng lại, vì vậy cây không bị

bốc hơi nước, còn việc quang hợp vẫn diễn ra nhờ khí CO2 được lưu trữ. Vào ban

đêm, khi nhiệt độ hạ xuống và độ ẩm tăng lên, vì vậy lượng nước bốc hơi thông

qua hô hấp giảm đi (hình 2.64). So với quang hợp thông thường, quang hợp theo

CAM chỉ cần 1/10 lượng nước, bù lại cây phát triển chậm đi.

50

Hình 2.64