Ученический проект по физике

Электрические рыбы

Автор проекта: Сердобинцева Алёна - 11 класс.

Руководитель проекта: Телкова И. В. - учитель физики.

Оглавление

Введение………………………………………………………….3

Основная часть

1. От древности до наших дней…………………………………4

2. Электрические органы ………………………………………..5

3. Электрические скаты …………………………………………7

3.1. Жизнедеятельность

3.2. Охота

3.3 Электрические органы

4. Электрические угри…………………………………………...8

4.1 Размеры

4.2 Маловольтные органы

5. Электрические сомы…………………………………………..9

6. Рыбы-звездочёты……………………………………………....9

Заключение………………………………………………………11

Литература……………………………………………………….13

Приложения……………………………………………………...14

ВВЕДЕНИЕ

«Этих рыб всегда воспринимали так, словно они не от мира сего. Античная фантазия наделила их сверхъестественной способностью «опутывать чарами» свои жертвы, в том числе и людей. Даже прозвище, которым древние греки наградили электрического ската, говорит само за себя - «нарке», т.е. «поражающий»» - так начиналась статья О. Краснова, которая вызвала у меня живой интерес к данной теме.

Прежде чем начать поиск информации, мы задались вопросами: кто они таинственные электрические обитатели морских и речных глубин? Все ли рыбы обладают электрическим органом? Зачем рыбам электрический разряд?

Исходя из поставленных вопросов, была определена цель исследования - изучить все группы электрических рыб.

К основным задачам исследования было отнесено:

1) выяснить, что собой представляет электрический орган и где он расположен;

2) какое напряжение и силу тока можно получить от плавающей «электростанции» при разряде;

3) опасны ли для человека «живые батареи»;

4) выяснить являются ли светящиеся рыбы электрическими?

Было предположено, что эти создания природы собранные вместе в большом количестве могут генерировать достаточное количество электроэнергии для освещения, например, нашего кабинета физики. В ходе исследования попытаюсь доказать или опровергнуть данную гипотезу.

1. От древности до наших дней

О существовании удивительных морских скатов и пресноводных сомов, способных наносить людям довольно неприятные и труднообъяснимые «удары», знали ещё древние греки и египтяне. Изображение этих сомов и скатов и сейчас ещё можно увидеть на стенах древнеегипетских гробниц.

На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската торпедо. В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей-натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи древнего Рима держали этих скатов у себя в больших аквариумах. Они пытались использовать торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали. Римляне считали, что скаты выделяют в воду какое-то ядовитое вещество. Было замечено что «яд» выделялся, только когда появлялась добыча или на рыбу кто-то нападал. «Яд» действовал и на человека, причём прямо через кожу, но не был смертелен. Прикосновение к рыбе ощущалось как удар, рука невольно отдёргивалась. Туземцы Африки и арабы приписывают тканям электрического органа сома целебные свойства. Они вырезают этот орган, сжигают его на углях и этим дымом окуривают больных.

Тайна скатов была разгадана сравнительно недавно. Оказалось, что эти рыбы яда не выделяют, а обороняются и нападают с помощью электричества. Ската и сома отнесли к электрическим рыбам.

Электрические рыбы - рыбы, способные генерировать электрические разряды. К таким рыбам относятся рыбы пяти групп:

• морские звездочеты (Astroscopus),

• гимнархи (Gymnarchus),

• электрические сомы (Malapterurus),

• электрические скаты (Tetronarce),

• электрический угорь (Electrophorus electricus).

Электрические рыбы имеют также способность к электрорецепции. По величине вырабатываемого напряжения делятся на сильноэлектрических и слабоэлектрических. Электрические свойства используют для защиты, нападения, внутривидовой сигнализации и ориентации в пространстве.

2. Электрические органы

Электрические органы

парные образования у ряда рыб, способные генерировать электрические разряды; служат для защиты, нападения, внутривидовой сигнализации и ориентации в пространстве. Электрические органы развились в процессе эволюции независимо у нескольких неродственных групп пресноводных и морских рыб. Были широко представлены у ископаемых рыб и бесчелюстных; известны у более 300 современных видов. Расположение, форма и строение э. о. у различных видов разнообразны. Они могут находиться симметрично по бокам тела в виде почкоподобных образований (электрические скаты и электрические угри) или подкожного тонкого слоя (электрический сом), нитевидных цилиндрических образований (мормириды и гимнотиды), в подглазничном пространстве (американский звездочёт), могут составлять, например, до 1/6 (электрические скаты) и 1/4 (электрические угри и сом) массы рыбы. Каждый э. о. состоит из многочисленных собранных в столбики электрических пластинок (ЭП) - видоизменённых (уплощённых) мышечных, нервных или железистых клеток, мембраны которых являются электрическими генераторами. Количество ЭП и столбиков в э. о. разных видов рыб различно: у электрического ската около 600 расположенных в виде пчелиных сотов столбиков по 400 ЭП в каждом, у электрического угря - 70 горизонтально размещенных столбиков по 6000 ЭП в каждом, у электрического сома ЭП около 2 млн., они распределены беспорядочно. ЭП в каждом столбике соединены последовательно, а электрические столбики - параллельно. Разность потенциалов, развиваемая на концах электрического органа, может достигать 1200 В (электрический угорь), а мощность разряда в импульсе от 1 до 6 кВт (Torpedo occidentalis). Разряды излучаются сериями залпов, форма, продолжительность и последовательность которых зависят от степени возбуждения и вида рыбы. Рыбы, обладающие э. о., переносят без вреда напряжения, которые убивают рыб, не имеющих э. о. (электрический угорь - до 220 В). Электрические разряды крупных рыб опасны для человека.

Электрический скат: а - электрические органы.

Приложение 1

3. Электрические скаты

Электрические скаты (их около 36 видов) - малоподвижные существа, плохо и неохотно плавающие. Большую часть жизни они проводят, зарывшись в песок или ил, оживляясь только для того, чтобы разрядить свои «батареи» и перекусить тем, что подвернулось. Свою основную добычу - мелких рачков и червей, поражённых электрическим разрядом, они подбирают без особой спешки. На крупную, уже оглушённую рыбу скаты бросаются стремительно и продолжают генерировать электрические разряды, чтобы окончательно добить её. Силу скатов неоднократно испытывали на себе и люди. Рыбаки говорят, что их разряды «валят с ног, словно удары кувалдой». Понятно, что особой любви к этим рыбам у промысловиков нет.

Электрические органы расположены по бокам тела между головой и грудными плавниками и состоят из видоизмененной мышечной ткани. Масса этих органов может достигать одной шестой массы рыбы. Мышечные волокна преобразуются в электрические пластинки, отделённые друг от друга студенистой соединительной тканью. К нижней части каждой пластинки подходит веточка нерва, а верхняя часть заполнена разветвлениями кровеносных сосудов. Нижняя часть пластинки и всего органа электрически отрицательна, а верхняя - положительна. Скопления 35-40 рядов электрических пластинок образуют призмы, разделенные волокнистой соединительной тканью. Каждый электрический орган состоит из 350-600 призм, содержащих в совокупности до 100-200 тыс. электрических пластинок. Электрический орган действует по принципу лейденской банки, накапливая электричество, образующееся в процессе обмена в электрических пластинках. Разряд осуществляется произвольно, под воздействием импульсов головного мозга. Одиночный разряд длится 0.03-0.05 сек, но обычно скат производит 20-30 быстро следующих друг за другом разрядов. Напряжение при разряде может достигать 60-300 В и силе тока до 5 А.

Кроме сильных разрядов, производимых при нападении и защите, скаты создают вокруг себя электрическое поле, генерируя слабые разряды напряжением 0.2-2.0 В, редко до 10 В и даже 50 В и силе тока 1 А, такие разряды следуют с частотой 35-300 Гц. Вторжение любого предмета искажает однородность электрического поля и дает возможность скату судить о приближении добычи или врага.

Приложение 2

4. Электрические угри

Электрические угри Электрический угорь - опаснейшая рыба среди всех электрических рыб. По количеству человеческих жертв, она даже опережает легендарную пиранью. (Electrophorus electricus) (он совсем не «родственник» прочих угрей и назван так только за сходную форму тела), обитающий в пресных водах Южной Америки,- рыба с самым сильным электроразрядом. Размеры её немалые - до 1,5 м, а иногда и до 3м в длину при весе до 20 кг. С помощью движений огромного анального плавника угорь с одинаковой лёгкостью может перемещаться вперед, назад, вверх и вниз. Напряжение создаваемых электрическим угрём разрядов может достигать 650 В, но обычно не превышает 350 В. Сила тока при этом не велика - всего 0,5-0,75 А. Его разряд может оглушить даже крупных зверей, а мелкие животные погибают мгновенно. Кроме описанных выше высоковольтных органов у электрического угря есть ещё два типа вспомогательных низковольтных органов. Назначение одного из них неясно, известно только, что он действует в связи с основной батареей. Второй тип вспомогательного электрического органа играет роль локатора, служащего для обнаружения препятствий на пути движения, а у старых рыб - и для поисков пищи, так как с возрастом зрение у угрей ухудшается. Частота локационных разрядов не превышает 20-30 В секунду, однако при возбуждении рыбы может достигать 50 В. В исследовательских аквариумах наибольшее напряжение разряда достигало 650 вольт, при этом сила тока была невелика - такой разряд не опасен для человека. Но, как выяснилось, по мере роста угря сила тока значительно возрастает, и какие будут последствия от удара током трехметровой рыбины, судить сложно, хотя наверняка мало не покажется. Вес электрических органов составляет от четверти до трети веса рыбы! На языке местных индейцев эти угри называются «арима», что значит «лишающие движения». Индейцы хорошо знают опасных рыб и не рискуют переходить вброд реку, где они обитают.

Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда он изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо. Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости. Этим свойством можно воспользоваться. Разряжая в воду любой источник электричества, удается привлечь целое стадо угрей, надо только подобрать соответствующие напряжение тока и частоту разрядов. Мясо электрического угря в Южной Америке едят. Но ловить его опасно. Один из способов ловли рассчитан на то, что угорь, разрядивший свою батарею, надолго становится безопасен. Поэтому рыбаки поступают так: в реку загоняют стадо коров, угри нападают на них и расходуют свой запас электричества. Прогнав коров из реки, рыбаки бьют угрей острогами.

Приложение3

5. Электрические сомы

Электрические сомы (Malapterurus electricus). В организации этих рыб, по наружности мало отличающихся от других сомов, есть очень важная особенность. На поверхности всего тела, непосредственно под кожей, а также и в мускулах, лежит тонким слоем особого строения ткань, похожая на жир. Ткань эта состоит из 6 и более налегающих друг на друга тонких пластинок, которые отделены друг от друга студенистыми слоями. Это и есть электрические органы, в которых может накапливаться довольно сильный электрический заряд. Длина этой рыбы не более 1 м. Арабское название этой рыбы «рааш» или «раад», что означает «гром».

Приложение4

6. Рыбы-звездочёты

Рыбы-звездочёты. У рыбы-звездочета всегда наготове два вида оружия - ядовитые шипы и электрический разряд. Uranoscopus sulphureus, как и все прочие звездочеты, стережет свою добычу (преимущественно мелкую рыбу), почти полностью зарывшись в грунт. Оттуда он внимательно наблюдает за проплывающей живностью. Глаза у этой рыбы расположены на темени, а рот обычно приокрыт, поэтому кажется, что она мечтательно смотрит куда-то в небо. На Руси ее называли верхоглядом или, реже, морской коровкой - видимо, за округлое тело. В науке же она известна под именем звездочета, именно так переводится ее латинское наименование Uranoscopus. Обитают рыбы-звездочеты в морях и океанах тропических и умеренных широт. Всего насчитывается с десяток родов и около 50 видов этих рыб. Примерно десять видов можно встретить в прибрежных водах Австралии, столько же - у берегов Азии и Америки, четыре - у побережья Африканского континента. В территориальных водах России встречается только звездочет европейский - в Черном море. А вообще-то главные места обитания «европейца» - это Средиземное море и Атлантика. В длину эти рыбы едва превышают 30 см. Самые крупные звездочеты почти вдвое больше - некоторые виды родов Astrocopus, Ichthyscopus и Kathetostoma достигают в длину 55 см и весят около 9 кг. Рыбы-звездочеты - существа малоподвижные: большую часть времени проводят на дне заливов и лагун. Почти полностью зарывшись в грунт, они выставляют наружу только глаза и рот, так что заметить подводного звездочета непросто. Но если песок или ил аккуратно разгрести и разглядеть эту рыбу повнимательнее - незабываемые впечатления вам гарантированы. И хорошо, если ими все ограничится…

Приплюснутая голова звездочета сплошь покрыта бугристыми роговыми пластинами. Глаза будто вылезли из орбит. Нижняя челюсть длиннее верхней, потому выступает вперед и вверх, придавая морде рыбы недовольное выражение. Большой рот обрамлен придатками губ, напоминающими бахрому: когда звездочет зарывается в грунт, эта «бахрома» фильтрует воду, не давая проникать в рот придонному мусору. Лежа на дне, звездочет не отдыхает: его выпученные глаза внимательно наблюдают за окружающим пространством. Он не только выслеживает, но и приманивает к себе добычу. Как только небольшая рыбешка или какое-нибудь беспозвоночное окажется в поле зрения, зведочет вместе с потоком воды выбрасывает изо рта аппетитного красного «червячка» - именно так выглядит его нижнечелюстная дыхательная перепонка. Соблазнившись, рыбка устремляется к наживке - и звездочет хватает ее, не оставляя жертве никаких шансов. Хищник даже не покидает своего укрытия. Хотя, если потребуется, - мгновенно выскочит, взметнув облако песка. Это необходимо, если добыча попалась крупная и ее надо оглушить. Подобно скату, угрю и некоторым другим рыбам, звездочет обладает специальными электрическими органами. Они расположены на голове позади глаз. Электрические органы генерируют разряды, которые звездочет применяет по обстоятельствам - для защиты или нападения, для подачи сигналов сородичам или для ориентации под водой. Каждый такой орган состоит из многочисленных электрических пластинок, собранных в столбики. Это уплощенные мышечные клетки, мембраны которых вырабатывают электричество. Пластины в каждом столбике соединены последовательно, а сами столбики - параллельно. Каждая клетка создает напряжение менее 0,1 В, но суммарный заряд звездочета может достигать 50 В. Cамим электрическим рыбам это ничем не грозит - электрический угорь, например, без всякого вреда для здоровья выдерживает удар в 220 В. А вот для окружающих существ, включая человека, электрические разряды крупных рыб могут представлять опасность. Но и это еще не все вооружение рыбы-звездочета. Над ее грудными плавниками позади жаберных крышек имеется пара шипов. Они связаны с железой, выделяющей яд. По некоторым сведениям, на Черном море были зафиксированы случаи, когда встреча неосторожных ныряльшиков с потревоженным европейским звездочетом приводила к печальным последствиям.

Приложение5

Исследования советских ученых показали, что многие из обычных, так называемых неэлектрических рыб, которые не имеют специальных электрических органов, все же в состоянии возбуждения способны создавать в воде слабые электрические разряды.

Заключение

Обобщив все полученные данные, ответим на вопрос, могут ли эти создания природы собранные вместе в большом количестве генерировать достаточное количество электроэнергии для освещения нашего кабинета физики.

Учёными подсчитано, что 10 тыс. угрей (U = 350-650 В; I = 0,5 - 0,75 А) могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезду пришлось бы стоять несколько суток, пока угри восстановили бы свой запас электрической энергии.

Если электрическую проводку для освещения кабинета представить в виде схемы:

И помнить, что номинальная мощность каждой лампы Р=100 Вт, U=220 В. Из формулы P= I*U определим ток через каждую лампу ( токи равны): I= P:U=100:220=0,46 А.

I 1=6*0,46=2,76 А;

I 2=5*0,46=2,3 А;

I= I 1+ I 2=5,06 А.

Электрических рыб при «сборке» электрической цепи следует соединять параллельно, т. к. в этом случае токи суммируются.

Если рассматривать электрического угря (U = 350-650 В; I = 0,5 - 0,75 А) , то десять угрей соединенных параллельно позволят получить минимальную силу тока 5 А при напряжении 350 В. При этом будут гореть в полный накал лампочки мощностью 150 Вт. Но ему нужно длительное время для зарядки своих «конденсаторов».

Электрический скат дает разряд с напряжением от 60-300 В при силе тока 5 А, его одного было бы достаточно для нашего кабинета, но вспышка была бы очень краткосрочной.

ВЫВОД: эти замечательные «электростанции» могут генерировать достаточное количество электроэнергии для освещения нашего кабинета физики, но собрать их в нужную цепь, думаю, не представляется возможным.

Список использованной литературы:

1. Cабунаев В.Б. Занимательная зоология. Л., 1976.

2. Черкаева Э. Доклад «Электрический сом». 2003.

3. Энциклопедия для детей. М., «Аванта+», 1994.

4. Сайты в Internet

ru.wikipedia.org/wiki/Электрические_рыбы

insect.home.nov.ru/elektricheskie fish.htm

zoodrug.ru/topic1885.html

Приложение 1

Приложение 2

Электрический скат торпедо.

Скат дископиге глазчатый.

Скат морская лисица.

Приложение3

Электрические угри

Приложение4

Электрический сом

Приложение5

Звездочет.