Обучающие программы и исследовательские работы учащихся
Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.

Наш баннер

Мы будем благодарны, если Вы установите наш баннер!
Баннер сайта Обучонок
Код баннера:
<a href="https://obuchonok.ru/" target="_blank"> <img src="https://obuchonok.ru/banners/banob2.gif" width="88" height="31" alt="Обучонок. Исследовательские работы и проекты учащихся"></a>
Все баннера...

Тематика: 
Робототехника
Автор работы: 
Махмудов Расул
Руководитель проекта: 
Дыбченко А.В.
Учреждение: 
МБОУ СОШ №27 г. Сургут
Класс: 
6

Готовая исследовательская работа по робототехнике "Робот-подсолнечник из конструктора LEGO MINDSTORMS EV3" является результатом самостоятельной работы ученика 6 класса, целью которой было создать модели подсолнечника, изучение действия абиогенных факторов (освещённость, температуры окружающей среды) на движения растений через моделирование физиологических процессов, а так же анализатора окружающей среды при помощи образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Подробнее о работе:


Проект по созданию робота при помощи конструктора LegoMindstorm содержит этапы моделирования функционирующей модели подсолнечника, на которой возможно продемонстрировать гелиотропизм, моделирование лимитирующего фактора. Для выполнения исследовательской работы школьник изучил основы аутэкологии, действие абиогенных факторов на движения растений на примере подсолнечника и проанализировал фенологические наблюдения на основе данных интернет ресурсов физиологических процессов подсолнечника.

Автором индивидуальной исследовательской работы по робототехнике на тему "Робот-подсолнечник из конструктора LEGO MINDSTORMS EV3" было изучено понятие "гелиотропизм", проведена сборка модели цветка из конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 и написана программа для нее. На полученной модели подсолнечника было проведено изучение ключевых понятий аутэкологии: лимитирующий фактор, норма реакции.

Оглавление

Введение   
1. Моделирование движений подсолнечника. Гелиотропизм.   
2. Изучение действия абиогенных факторов(освещённость, температуры окружающей среды) на модель «Робота-подсолнечника».
Заключение
Список использованной литературы

Введение


Интернированный  школьный научно-исследовательский проект по биологии, экологии и робототехнике с использованием образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 «Модель робота - подсолнуха на базе LEGO MINDSTORMS EV3, как средство изучения основ факториально экологии».

В XXI век шаг к новому качеству образования, когда учеба и научная деятельность  становятся неразрывными понятиями. Что подразумевает широкую интеграцию разных дисциплин с целью понимания окружающего мира, а в конечном итоге созданию объективно необходимых приспособлений. В современный период нельзя недооценивать глобальную информатизацию всех процессов, но не стоит выпускать из вида те знания и технологии которыми обладает окружающая нами природа.  Создание проекта на стыке биологии, экологии, информатики и робототехники, которое поможет более осмысленно понять теоретические понятия экологии и создать эстетически приятный анализатор окружающей среды на основе модели «робота подсолнечника» 

Цель: создание модели подсолнечника, изучение действия абиогенных факторов(освещённость, температуры окружающей среды) на движения растений через моделирование физиологических процессов, а так же анализатора окружающей среды при помощи образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Для достижения цели были выдвинуты следующиезадачи:

  1. Изучить основы аутэкологии, действие абиогенных факторов на движения растений на примере подсолнечника.
  2. Проанализировать фенологические наблюдения на основе данных интернет ресурсов физиологических процессов подсолнечника.
  3. Обобщить полученные данные, представить их в конечном виде для создания модели подсолнечника и написания программ.
  4. Сборка модели цветка из конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, написание программы.
  5. Изучение на модели подсолнечника ключевых понятий аутэкологии: лимитирующий фактор, норма реакции.
  6. Защита  экологического проекта перед аудиторией;
  7. Систематизация полученного опыта, для последующей работы

Объект: использование образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 в проектной деятельности по экологии, биологии, информатике.

Предмет: функционирующая модель подсолнечника, на которой возможно продемонстрировать гелиотропизм, моделирование лимитирующего фактора.

Проблема: исследования заключается в моделирование  физиологических процессов растений при выполнении интегрированного проекта по биологии, экологии и робототехники, для исследования экологических факторов влияющих на растение и изучение действия лимитирующего фактора и при проведении опытов уничтожаются цветы. 

Гипотеза: если будет правильно подобрана методика проведения занятий, включающих «Робот - подсолнечник», то это докажет положительную роль в сохранении цветов при проведении опытов.

Методы исследования: поисковый, систематизация, методика сравнительного анализа.

Моделирование движений подсолнечника. Гелиотропизм

Цель: создать модель подсолнечника, способную двигаться за источником света.

Задачи:

  1. Собрать информацию о механизме и значении гелиотропизма.
  2. Создать (или найти) модель подсолнечника, написать программу для готовой модели.

Раздражимость и движения растений как адаптация к суточным и сезонным изменениям освещенности и температуры. Гелиотропизм


Растения на протяжении всей жизни подвергаются влиянию различных факторов окружающей среды (например, дождь, ветер, сила притяжения, суточные и сезонные колебания температур, продолжительность периода освещенности, чередование дня и ночи). Растение определенным образом отвечает на такие влияния, так как ему присуще общее свойство всех живых организмов – раздражимость. Иногда это проявляется в виде двигательных реакций.

Движения растений, в отличие от движений животных, не связаны со значительными перемещениями в пространстве. Растениям присущи движения только отдельных частей, то есть корня, стебля, листьев, цветков.

Ростовые движения осуществляются в виде изгибания или искривления определенной части растения в направлении к раздражителю или от него. Растения могут отвечать ростовыми движениями на воздействие различных раздражителей: света, силы тяжести, давления, действия химических соединений, ветра и др. Например, листовые пластинки комнатных растений поворачиваются в сторону освещенного окна.

Обратите внимание, как реагируют на прикосновение усики гороха, винограда. Они быстро обвивают любой предмет как опору. Вспомните, как активно поворачиваются к свету листья герани, настурции или соцветия подсолнечника. Корзинки подсолнечника в первой половине дня поворачиваются к солнцу: утром они расположены вертикально и обращены к востоку, в полдень все они занимают горизонтальное положение в направлении юга.

Существуют движения растений, обусловленные изменением давления внутри определенных групп клеток, в результате чего изменяются их размеры. Такие движения могут быть подчинены четкому ритму на протяжении суток. Например, у фасоли ночью листья опускаются вниз, приближаясь к стеблю, а днем листовые пластинки располагаются перпендикулярно к нему.

Суточные и сезонные ритмы растений. Если посмотреть на некоторые растения перед заходом солнца или ночью, то может возникнуть впечатление, что они завяли. Кислица и фасоль после захода солнца опускают листья, а клевер, наоборот, их поднимает. У большинства растений цветки на ночь закрываются. Такое периодическое изменение положения определенных органов растения (цветков, соцветий, листьев, побегов), совпадающее со сменой дня и ночи, называется «сон растений». Это является примером суточных ритмов – изменений состояния организма на протяжении суток.

Суточный ритм движений лепестков цветков – результат неравномерного роста верхней (внутренней) и нижней (наружной) сторон лепестков. Если быстрее растет верхняя сторона, лепестки отклоняются наружу и цветок раскрывается. Наоборот, если быстро растет нижняя сторона, лепестки наклоняются внутрь и цветок закрывается.

Мы знаем, что многие виды растений с началом темного времени суток впадают в состояние «сна», закрывая цветки. В то же время известны растения (например, ночная красавица), цветки которых открываются ночью, а днем закрываются. Такие растения опыляют ночные насекомые (например, ночные бабочки).

Чаще движения у растений наблюдаются при смене погодных условий на протяжении суток, в первую очередь, влажности, освещенности, температуры. В солнечный день полейте и закройте ящиком или ведром цветущий одуванчик. Через некоторое время вы увидите, что соцветие закрылось. Оставьте растение открытым и соцветие снова откроется. Внесите тюльпаны с холода в теплое помещение, и их цветки быстро раскроются. Это реакция на изменение температуры.

У растений наблюдаются и изменения, связанные с чередованием сезонов года. Как вы уже знаете, большинство деревянистых растений наших широт, готовясь к зиме, сбрасывает листву (явление листопада). Затем наступает состояние зимнего покоя, а весной растения переходят к активному росту и так далее. Таким образом, растения способны воспринимать ритм течения времени. Так осуществляются сезонные ритмы – изменения состояния организмов на протяжении года в соответствии с чередованием сезонов.

Гелиотропизм — способность растений принимать определенное положение под влиянием солнечного света.

Гелиотропизм был описан Леонардо Да Винчи в его ботанических исследованиях, вместе с геотропизмом.

Термин «гелиотропизм» был введён в начале XIX века Огюстеном Декандолем-старшим для описания роста верхушки стебля по направлению к солнцу (в настоящее время данное явление известно как Фототропизм). В современной науке гелиотропизмом называют только движения растений, связанные со слежением за солнцем.

Гелиотропные цветы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня, с востока — на запад. Ночью цветы могут ориентироваться достаточно бессистемно, но с рассветом они поворачиваются на восток, к восходящему светилу. Движение осуществляется при помощи специальных моторных клеток, находящихся в гибком основании цветка (лат.Pulvinus, см. Листовая подушечка). Данные клетки являются ионными насосами, доставляющими ионы калия в близлежащие ткани, что изменяет их тургор. Сегмент изгибается из-за удлинения моторных клеток, расположенных на теневой стороне (вследствие роста гидростатического внутреннего давления).

Гелиотропизм является ответом растения на синий свет. Одним из самых гелиотропных цветов является подсолнух, который наиболее других цветов "ходит" за солнцем, особенно в раннем возрасте, пока его головка не вырастет до большого размера и не станет слишком тяжёлой, чтобы двигаться (в это время все его силы сосредотачиваются на созревании семян). В большей или меньшей степени, почти все цветы являются гелиотропными.

Некоторые следящие за солнцем растения не являются чистыми гелиотропами: их циркадные движения инициализируются солнечным светом, и, зачастую, продолжаются еще некоторое время после его исчезновения.

Широко распространено ложное мнение, что подсолнечники «тянутся» к солнцу (гелиотропизм). На самом деле, зрелые цветки подсолнечника обычно направлены на восток и не двигаются. Однако, бутоны подсолнечника (до зацветания) обладают гелиотропизмом.

Они изменяют свою ориентацию с востока на запад в течение дня.

Листья, а также соцветия до начала цветения поворачиваются в течение дня по ходу солнца от востока на запад, т. е. утром они направлены к востоку и в течение дня поворачиваются через юг на запад. Этим усиливается продуктивность фотосинтеза примерно на 10%.

2. Описание модели «Робота-подсолнечника».

В большей или меньшей степени почти все цветы являются гелиотропными, но сильнее всего этот эффект прослеживается у подсолнуха, изменение положения которого в течение дня особенно заметно.

Наш проект робот-подсолнечник, который будет постоянно отслеживать окружающую освещенность, и поворачиваться в сторону наиболее яркого света.

Детали, которые способствуют закреплению моторов, датчиков и в целом конструкцию используются из базового набора LEGO MINDSTORMS EV3.

Для реализации проекта робота - подсолнуха мы использовали следующие комплектующие:

Изображение датчика Название датчика Для чего используется
робот подсолнечник 1 Датчик касания Простой и высокоточный датчик, определяющий, нажата ли его передняя кнопка-сенсор или отпущена. Также подсчитывается количество нажатий.
робот подсолнечник 2 Большой серво мотор Мощный мотор, имеющий датчик вращения с точностью работы до 1 градуса.
робот подсолнечник 3 Средний серво мотор Идеально подходит для роботов, которым важна скорость, а не грузоподъемность. Обладает компактными размерами и минимальным временем включения.
робот подсолнечник 4 Набор соединительных кабелей Используйте эти дополнительные провода, если в вашей моделе задествовано сразу несколько микрокомпьютеров, а также большое количество моторов и датчиков
робот подсолнечник 5 Микрокомпьютер EV3 Сердце платформы LEGO MINDSTORMS Education EV3.
робот подсолнечник 6 Базовыйнабор LEGO MINDSTORMS Education EV3 Содержит все необходимое для обучения с помощью технологий LEGO® MINDSTORMS

Так же программное обеспечение LEGO MINDSTORMS Education EV3 Software.

Это мощное ПО, простое в обучении и легкое в использовании, основано на программном пакете National Instruments LabVIEW™, являющимся лидирующим решением в классе графических программных пакетов, используемых инженерами и учеными по всему миру. робот подсолнечник 7

В данной задаче мы использовали датчики цвета в режиме измерения окружающего света. В случае полной темноты значение датчика является 0, в случае очень яркого освещения - 100. Таким образом, выходной диапазон полностью удовлетворяет требованиям для реализации управления.

В качестве управления поворотами робота - подсолнухом используется всего два мотора. Малый мотор способствует управление цветком поворачиваться в сторону более яркого света только в одном направлении по горизонтали (в природе подсолнух в течение дня поворачивает соцветие с востока на запад).

робот подсолнечник 13

рис. 1.2. Использование малого мотора

Большой мотор способствует небольшие движения в вертикальной плоскости для того, чтобы цветок мог поднимать соцветие в зависимости от высоты солнца над горизонтом.

робот подсолнечник 16

рис. 1.3. Использование большого мотора

Алгоритм программы имитации гелиотропизма - поворота растения в сторону солнца (в горизонтальной плоскости) с использованием датчика температуры и света.

Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS Education EV3 основано на LabVIEW, графическом языке программирования, которым пользуются ученые и инженеры по всему миру. ПО оптимизировано для работы на уроках и учитывает все последние тенденции в создании интуитивно понятных интерфейсов пользователя.

При написании программы для робота - подсолнуха в управлении мы в качестве упрощения разделили на три основных блока.

  1. Создание программы для движения большого мотора по условию освещения.
  2. Создание программы для движения малого мотора по условию освещения.
  3. Написания программы, реализующие работу температуры.

Алгоритм программы:

  1. Создаем два параллельных процесса. В верхней ветке большой мотор «С» удерживает цветок в вертикальном состоянии до тех пор, пока значение датчика цвета в режиме измерения окружающего освещения не станет меньше -115 единиц.
  2. В нижней ветке малый мотор «А» начинает работу по условию когда значение датчика освещения «1»  больше датчика «4» и работает до тех пор, пока значение датчика освящения в режиме измерения окружающего освещения не станет больше 0 единиц. (Имитация поворота подсолнуха с востока на запад).
  3. В начале программы установлен датчик температуры и задается условие если уровень освещенности остается тот же, температура понижается, температура уходит из значения оптимума и становится лимитирующим фактором. Модель имитирует заведание - не функционирует. 
  4. Па рис. 2.1. представлена программа, позволяющая управлять поворотом цветка в горизонтальной плоскости в зависимости от  положения солнца.

Программа:

робот подсолнечник 18

робот подсолнечник 20

робот подсолнечник 22

робот подсолнечник 23

Изучение действия абиогенных факторов на модель «Робота-подсолнечника»

Цель: создание модели подсолнуха отражающей основные  понятий аутэкологии (экологический фактор и лимитирующий фактор) с написанием соответствующего программного обеспечения.

Задачи:

  1. Изучить теоретические основы аутэкологии: экологический фактор, среда обитания, лимитирующий фактор, закон минимума.
  2. Изучить биологии и экологии подсолнечника. Интерпретация информации для программирования.
  3. Написание программного обеспечения обеспечивающего моделирование основных понятий аутэкологии.
  4. Демонстрация действия лимитирующего фактора и закона минимума на модели подсолнечника.

Теоретические основы аутэкологии

Аутэкология, изучающая взаимоотношения представителей того или иного вида с окружающей его средой, в основном опирается на исследования процессов адаптации видов к окружающей среде, в особенности к абиотическим факторам парных взаимодействий (организм — фактор). Именно поэтому ее часто называют факториальной экологией.

Среда с позиции экологии.

Среда — комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные тела, явления и энергия, воздействующие на организм.

Имеет место и конкретное пространственное понимание среды, как непосредственного окружения организма — среда обитания. К ней относят только те элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые или непрямые отношения, т.е. это все то, среди чего он живет.

Необходимо подчеркнуть, что понятие «среда» не является синонимом понятия «условия существования». Последнее означает сумму жизненно необходимых факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать.

Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, носит название адаптации.

Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма гласит: до тех пор, пока среда, окружающая определенный вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям, этот вид может существовать. Согласно этому правилу тот или иной вид живого возник в определенной среде и в той или иной степени смог приспособиться к ней. Дальнейшее его существование возможно лишь в ней или в близкой к ней среде. Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Сказанное в полной мере относится и к человеку.

Экологический фактор — это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития. В свою очередь, организм реагирует на экологический фактор специфическими приспособительными реакциями, т.е. адаптируется к ним.

Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Их подразделяют на абиотические и биотические, антропические.

Абиотические факторы. В это все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рельеф местности и т.д.).

Биотические факторы — это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реальных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влияние других существ.

Антропические факторы — факторы, которые возникают в ходе непосредственного (прямого) воздействия человека на что-то.

Весьма часто употребляют термин «антропогенный фактор». Под ним понимают фактор, косвенно обязанный своим происхождением деятельности (настоящей и прошлой) человека. В последние годы антропогенные факторы, учитывая силу их воздействия, выделяют как отдельную категорию экологических факторов.

Основные абиотические факторы и их влияние на организмы


Существует ряд экологических факторов абиотической природы, влияние которых на живые организмы почти везде практически одинаково. В каждой среде обитания на организмы действует своя совокупность абиотических факторов. Некоторые из них играют важную роль во всех трех основных средах (в воде, почве и на суше) или в двух.

«Солнечный свет» Условия жизни организмов определяются общим потоком излучения в окружающей их среде. Организмы, которые живут на поверхности планеты или вблизи нее, воспринимают поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от соседних тел. Именно эти два фактора обусловливают климатические условия среды — температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды.

В пределах видимого участка спектра выделяют фотосинтетически активную радиацию (длина волн 380—710 нм), ее энергия поглощается пигментами листа и имеет решающее значение в жизни растений обеспечивая фотосинтез.

Важными с экологической точки зрения характеристиками света являются продолжительность воздействия (длина дня), интенсивность (в энергетических величинах), спектральный состав лучистого потока.

Из-за осевого вращения Земли и движения вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времен года. Подобная ритмичность создает в свою очередь периодичность, т.е. повторяемость условий, в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещенности, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных.

К указанным ритмам организмы приспособлены таким образом, что их физиологическое состояние и поведение изменяются в полном соответствии с циклическими изменениями внешней среды. Для жизнедеятельности разных видов организмов выделяют суточные, годовые  ритмы.

Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи.

Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий.

Общеизвестно, что длина светового дня закономерно изменяется      в течение года, и именно это служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом.

В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определенной последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, т.е. биологические ритмы жизнедеятельности организмов в определенных условиях среды. Чередование света и темноты растения воспринимают листьями. Под влиянием продолжительности дня в растениях образуются гормоны, которые влияют на цветение, образование клубней, корнеплодов. Животным также свойственен фотопериодизм.

Интенсивность света влияет на первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами. При этом фотосинтетическая деятельность как у наземных, так и у водных фотоавтотрофов связана с интенсивностью света линейной зависимостью вплоть до оптимального уровня светового насыщения.

Температура. Из всего комплекса факторов температура занимает по своей значимости второе место после света почти во всех средах обитания. Экологическое значение тепла состоит прежде всего в том, что температура окружающей среды определяет температуру организмов, она также оказывает непосредственное влияние на скорость и характер протекания всех химических реакций, определяющих обмен веществ.

Температурные условия среды теснейшим образом связаны с действием солнечного света, но определяются не только им.

Понятие нормы реакции и лимитирующего фактора

Реакция организма на воздействие фактора обусловлена дозировкой этого фактора. Очень часто фактор среды, особенно абиотический, переносится организмом лишь в определенных пределах. Наиболее эффективно действие фактора при некоторой оптимальной для данного организма величине. Диапазон действия экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точками минимума и максимума) данного фактора, при котором возможно существование организма. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью или толерантностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

При помещении организма в новые условия, он через некоторое время привыкает, адаптируется. Это приводит к сдвигу кривой толерантности и называется адаптацией или акклиматизацией. Для нормального развития организмов необходимо наличие разных факторов строго определённого качества, каждый из них должен быть и в определённом количестве. В соответствии с законом толерантности избыток какого-либо фактора может быть так же вреден, как и недостаток, то есть всё хорошо в меру. Например: урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.

Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения –зоны пессимума –это условия при которых жизнедеятельность организма максимального угнетается, но он еще может существовать, как показано на рис.

При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменениям фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы, для выживания. Такие условия называют экстремальными.

Закон минимума Либиха. Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих экологических факторов (как абиотических, так и биотических) одновременно. Растения нуждаются в значительных количествах влаги и питательных веществ (азот, фосфор, калий) и одновременно в относительно «ничтожных» количествах таких элементов, как бор и молибден.

Любой вид животного или растения обладает четкой избирательностью к составу пищи: каждому растению необходимы определенные минеральные элементы. Любой вид животного по-своему требователен к качеству пищи. Для того чтобы нормально существовать, развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах. Тот факт, что ограничение дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, относящихся как к макро-, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату — замедлению роста, обнаружен и изучен одним из основоположников агрохимии немецким химиком Юстасом фон Либихом.

Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха: величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Закон минимума Либиха в настоящее время называется законом ограничивающего лимитирующего фактора: в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости.

Биология и экология подсолнечника

Подсолнечник (Helianthusannuus L.) относится к семейству Астровые (Asteraceae). Это сборный вид, который делится на два вида: подсолнечник культурный (объединяющий все формы и сорта подсолнечника полевой культуры) и дикорастущий. Подсолнечник культурный подразделяют на два подвида: культурный посевной и культурный декоративный.

Подсолнечник посевной – однолетнее растение с прямостоячим грубым стеблем высотой 1,0…2,5 м. Корневая система стержневая. Главный корень образуется из зародышевого корешка семени, на нем появляются боковые корни и проникают на глубину 2,0…2,5 м. Вначале они растут горизонтально, а затем вертикально вниз. Главный и боковые корни покрыты более мелкими корешками, пронизывающими большой объем почвы.

Листья на стебле расположены спирально, только первые четыре листа супротивные. Они имеют более или менее сердцевидную форму, покрыты короткими жесткими волосками. Длина листьев от 10 до 40 см. Наиболее крупные листья находятся в средней части стебля. Они составляют 80% ассимиляционной поверхности всего растения и сохраняют свою активность после цветения длительное время. Листья, а также соцветия до начала цветения поворачиваются в течение дня по ходу солнца от востока на запад, т. е. утром они направлены к востоку и в течение дня поворачиваются через юг на запад. Этим усиливается продуктивность фотосинтеза примерно на 10%.

Соцветие – многоцветная корзинка, состоящая из крупного цветоложа, по внешнему краю которого расположены в несколько рядов зеленые листочки. По краям корзинки размещены крупные бесполые язычковые цветки, имеющие оранжево-желтую окраску. Трубчатые цветки, заполняющие всю корзинку (1000 и более), обоеполые; опыление перекрестное. Плод подсолнечника – семянка.

Культурный подсолнечник является степным экотипом. Способность образовывать глубоко проникающий стержневой корень и придаточные корни из гипокотиля обеспечивает ему устойчивость к засухе и степным ветрам, он отличается также высокой холодостойкостью и экологической пластичностью.

Требования подсолнечника к климату, особенно к температуре и влаге, высокие. Минимальная температура прорастания 5°С, при посеве температура почвы должна быть не ниже 6…8°С. Минимальная сумма эффективных температур (> 6°С) для раннеспелых сортов и гибридов, имеющих длительность вегетационного периода около 150 дней, составляет 1450°С, т. е. начиная со второй половины мая средняя температура должна быть 15°С. Требования растений к теплу в период от появления всходов до цветения постоянно возрастают. В фазе цветения и в последующие периоды для роста и развития подсолнечника наиболее благоприятна температура 25 - 27°С. Но температура свыше 30 °С оказывает угнетающее действие.

Подсолнечник очень требователен к влаге, поэтому урожайность и эффективность его выращивания ограничиваются обеспечением требований растений к влаге. Хорошо развитые посевы подсолнечника за вегетационный период потребляют от 500 до 600 мм воды, а минимальная потребность в воде удовлетворяется при 350…400 мм осадков. Особенно требовательны к влаге растения во время образования бутонов до цветения. Такую большую потребность в воде подсолнечнику обеспечивает его мощная корневая система, которая может усваивать водные ресурсы почвы из большой глубины и при большой водоудерживающей силе почвы

Подсолнечник требователен к свету. При затенении и пасмурной погоде рост и развитие его угнетаются. Это растение короткого дня со всеми характерными для этой группы культур требованиями биологии.Подсолнух - светолюбивое растение. Основной, жизненно необходимый фактор, определяющий развитие растений - это свет. Обычно растения нуждаются в освещенности от 500 до 2 000 люксов.

Минимальные среднедневные уровни освещенности, при которых растения могут нормально развиваться и размножаться (т.е. цвести и плодоносить), для светолюбивых видов составляют 5.000 люкс, а для тенелюбивых - 1.500 люкс.Поскольку подсолнух относится к светолюбивым растениям минимальное значение освещенности необходимое в период цветения 5.000 люкс.  Поскольку подсолнух светолюбивое расстение то максимально допустимое значение освещенности не учитывается, так как в природных условиях освещенность таких значений не достигает.

Интерпретация данных для написания программного обеспечения. Норма реакции и лимитирующий фактор


Диапазон действия экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точками минимума и максимума) данного фактора, при котором возможно существование организма.

Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора.

Модель подсолнуха будет функционировать в пределах определенных значений факторов:

  • Освещенность. Минимальное значение 5000 люкс, максимальное значение не обозначается.
  • Температура окружающей среды. Минимальное значение от 15°С, максимальное значение 30 °С.
  • Количество влаги, химический состав почвы являются одними из ключевых факторов, но по причине того, что у нас нет датчиков способных измерять данные факторы мы их не рассматриваем и не учитываем.
  • Закон минимума Либиха в настоящее время называется законом ограничивающего лимитирующего фактора: в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости.
  • Написание программного обеспечения обеспечивающего моделирование основных понятий аутэкологии.
  • Создаем два параллельных процесса. В верхней ветке большой мотор «С» удерживает цветок в вертикальном состоянии до тех пор, пока значение датчика цвета в режиме измерения окружающего освещения не станет меньше -115 единиц.
  • В нижней ветке малый мотор «А» начинает работу по условию когда значение датчика освещения «1»  больше датчика «4» и работает до тех пор, пока значение датчика освящения в режиме измерения окружающего освещения не станет больше 0 единиц. (Имитация поворота подсолнуха с востока на запад).
  • В начале программы установлен датчик температуры и задается условие если уровень освещенности остается тот же, температура понижается, температура уходит из значения оптимума и становится лимитирующим фактором. Модель имитирует завядание - не функционирует. 

На рис. 2.1. представлена программа, позволяющая управлять поворотом цветка в горизонтальной плоскости в зависимости от  положения солнца.

Демонстрация действия лимитирующего фактора и закона минимума на модели подсолнечника

Цель:показать действия факторов внешней среды на модели, доказать закон минимума

Оборудование: модель подсолнуха дополнительно оборудованная датчиком температуры, источник искусственного освещения(электрическая лампа), емкость с холодной водой, емкость с горячей водой, емкость(в которую будет опускаться датчик температуры), термометр.

Ход работы:

  • Установить модель подсолнечника на столе в затемненном помещении, датчик температуры опустить в пустой стакан.
  • Рассмотреть действие освещенности, температуры окружающей среды в отдельности как действие лимитирующего фактора.
  • Поднести источник света к модели, убрать источник света, отметить действия модели.
  • Опустить датчик температуры в стакан с холодной (меннее15°С) и горячей водой (более 30 °С )попеременно, зарегистрировать реакцию модели.
  • Доказать при помощи модели подсолнуха закон минимума

Включить режим, когда модель учитывает оба фактора, приблизить источник света, в стакан в котором находится датчик температуры налить холодной воды, затем долить горячей, что бы значение температуры оставалось в рамках от 15 до 30 °С. Этими действами мы установим факторы в значения оптимума.

В стакан долейте холодной воды(опустите снег или лед). Опишите действия модели, прокомментируйте наблюдение с точки зрения закона минимума(закона ограничивающего лимитирующего фактора). Уровень освещенности остается тот же, температура понижается, температура уходит из значения оптимума и становится лимитирующим фактором. Модель имитирует завядание - не функционирует.

Сделайте вывод по проделанной работе: что такое лимитирующий фактор, в чем заключается значение закон ограничивающего лимитирующего фактора.

Заключение

В результате работы над проектом нами создана модель «Робота-подсолнуха», которая способна продемонстрировать такое явление как гелиотропизм. Главным достижением является то, что воздействуя на нее абиотическими факторами мы можем моделировать действие лимитирующего фактора, делая его наглядным, доступным для понимания. Главными достоинствами данной работы является сам процесс выполнения работы, и его конечный продукт.

Мы провели поиск информации, проанализировали ее, адаптировали для сборки и программирования модели. Данные действия с уверенностью можно считать первым шагом к появлению нового направления исследования интеграции биологии и информатики (робототехники) – «школьная бионика». Суть направления заключается в моделировании наблюдаемых природных процессов доступными средствами, а именно конструктором LEGO MINDSTORMS Education EV3, который предоставляет для этого широкие возможности. Интеграция поисковых методов и моделирование одно из наилучших способов творчества – создание нового на базе наблюдаемых в природе явлений.

В этом проекте мы использовали не только микрокомпьютер и моторы, так же мы задействовать датчики освещенности  и датчик касания  и сложных деталей из набора конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3

Программа написана в среде программирования – LEGO MINDSTORMS Education EV3 Software. Мы и далее будет продолжать работу над этим и другими проектами.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.


Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Партнеры и статистика