физика человека
advertisement
Физика человека Автор проекта: Бывалина Инна 10 класс Учитель математики и физики: Бывалина Л. Л МОУ СОШ с.Киселевка Ульчского муниципального района Хабаровского края 2011 год. Творческое название проекта «Познай самого себя!» Основополагающий вопрос Можно ли познать себя? Цели проекта: 1. Изучить, структурировать литературу по проблеме; 2. познакомиться с физическими возможностями человека и резервами его организма; 3. объяснить особенности строения человеческого организма с физической точки зрения; 4. на практике исследовать особенности человеческого организма; 5. выяснить роль двигательной активности и питания человека для повышения его устойчивости к вредным воздействиям; 6. исследовать степень понимания человеческих возможностей и значимости здорового образа жизни учащимися школы. Краткая аннотация проекта • В данном проекте мне хотелось осветить двустороннюю связь физика – человек и человек – физика, попытаться показать роль физики в познаваемости природы, изучении человека, его физических возможностей и резервов его организма. • Попытаться убедить учащихся в том, что человек способен достичь положительных результатов, если он серьезно будет работать над собой. • Физика – наука о природе. Человек – неотъемлемая часть природы. • Первейшая потребность человека – сохранение его жизни и здоровья. Здоровье позволяет человеку учиться, трудиться, заниматься спортом. Чтобы сохранить здоровье, нужно изучать свой организм, процессы, происходящие в нем. • Человека, как высшую ценность нашей цивилизации, изучает ряд научных дисциплин: биология, антропология, психология и др. Однако создание целостного представления о феномене человека невозможно без физики. Особенности человеческого организма • Нормальную жизнедеятельность нашего организма обеспечивает множество органов. • Существуют и функционируют они совместно, а не по отдельности, т.е. все органы объединены в системы органов. Опора и движение • Скелет и мышцы – опорные структуры и органы движения человека, выполняющие защитную функцию. Скелет человека состоит примерно из 220 костей, которые соединены между собой. • Трубчатые кости полые. Такое строение длинных костей обеспечивает одновременно их прочность и легкость. (металлическая или пластмассовая трубка почти так же прочна, как равный ей по длине и диаметру сплошной стержень из того же материала). Опора и движение Подвижные соединения костей называют суставами. На одной из костей, сочленяющихся в суставе, находится ямка суставная впадина. В нее входит соответствующая ей по форме головка другой из сочленяющихся костей. Впадина и головка покрыты слоем блестящего гладкого хряща. Это уменьшает силу трения, облегчает скольжение головки во впадине при движениях в суставе. Внутренняя среда сустава - синовиальная жидкость. Она выполняет роль смазки между трущимися поверхностями суставов, покрытых гладким глиаиновым хрящом. Опора и движение • Кости конечностей соединены подвижно. Конечности обеспечивают передвижение человека в пространстве и действуют как сложные системы рычагов. • Массивные кости нижних конечностей человека толще и прочнее костей рук, так как ноги несут на себе всю тяжесть тела. Сводчатая стопа человека при ходьбе, беге, прыжках пружинит, смягчает толчки. Определение высоты прыжка без разбега Участники эксперимента Игорь Алексей Андрей 0,54 0,6 0,7 0,65 0,7 0,85 0,55 0,65 0,75 0,563 0,67 0,77 0,4 0,6 0,7 Мои вычисления высоты прыжка оказались примерно равны высоте прыжка, измеренной на практике. Считаю этот метод достаточно точным, погрешности возникают при измерении времени, так как оно очень мало. Высота прыжка зависит от длины ног, массы тела человека, тренировки, физических возможностей. Газообмен в легких и тканях • При дыхании происходит диффузия в тканях человека. В лёгких кислород из воздуха поступает в кровь путём диффузии через стенки альвеол, а затем, растворяясь в ней, разносится по всему организму. • Газообмен в легких и тканях подчиняется законам движения газов в соответствии с их парциальным давлением. Определение дыхательного объёма и жизненной ёмкости лёгких Вычислила среднее значение дыхательного объема легких и жизненную ёмкость лёгких (ЖЕЛ) - наибольший объём воздуха, который человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха. Определение дыхательного объёма и жизненной ёмкости лёгких Алексей Вероника Сравнение с нормой 2,8 л. 3,1 л. 3,8 л. 2,15л. 2,5 л. 2,8 л. Вывод: при сравнении жизненной емкости легких Алексея и Вероники с нормой приходим к выводу, что у Алексея нормальная жизненная емкость легких, а у Вероники недостаточная ЖЕЛ, рассчитанная по формулам, принятым в медицине. Необходимы тренировки, выполнение физических упражнений, чтобы развивать свой объем легких. Определение числа вдыхаемых (выдыхаемых) молекул С помощью воздушного шарика и измерительной ленты нашла объём воздуха при выдохе V. Измерила барометром атмосферное давление р и температуру воздуха Т термометром. Из уравнения состояния газа рV = NkТ рассчитала число N вдыхаемых (выдыхаемых) молекул Вывод: Число частиц, выдыхаемых человеком, за один выдох очень велико (2,1 ∙ 1022 - 3,41 ∙ 1022). Если бы все молекулы, содержащиеся в выдохе, равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы 2-3 молекулы, побывавшие в наших легких. Пищеварение • Жизнь человека без пищи невозможна. Пища – источник энергии каждого организма и его основной строительный материал. • Пищеварение начинается в ротовой полости, где происходит механическая и химическая обработка пищи. • Всасывание – это процесс перехода питательных веществ из кишечника в кровеносные сосуды. В основе этого лежит явление диффузии, осмоса – проникновение веществ через полупрозрачную перегородку. Пищеварение • Слизистая оболочка тонкой кишки имеет огромную площадь, что увеличивает площадь соприкосновения веществ. • Пища переходит в желудке и кишечнике в растворимое состояние, и нужные организму вещества диффундируют внутрь клеток. В то же время путём диффузии продукты жизнедеятельности клетки выводятся в окружающую среду. • Половина девушек потребляет энергии ниже нормы, и затраты энергии почти у 40% превышают потребление • Половина юношей потребляет энергии ниже нормы, и только у 25% юношей затраты энергии соответствуют их потреблению Энергетическая ценность пищевого рациона Выводы: 50% учащихся 9 – 10 классов потребляют пищу, содержащую недостаточное для их возраста количество калорий Возраст 15 – 16 лет отличается большой физической активностью и увеличением умственной, интеллектуальной нагрузки, проявлением высокой двигательной активности. Ребятам необходимо правильное, сбалансированное, достаточно калорийное питание (особенно мальчикам) для нормальной жизнедеятельности. Только у 41% учащихся, участвовавших в расчетах, уровень энергетических затрат для разных видов деятельности соответствует энергетической ценности суточного рациона. 27% тратят энергии меньше, чем потребляют. Если это будет продолжаться долгое время, то может привести к ожирению. У 32% ребят энергозатраты превышают потребление. Восстановить силы им помогут высококалорийные продукты. Кровообращение. • Стенки капилляров лишены мышечного слоя и состоят из одного слоя плоских клеток. Благодаря такому строению стенок кислород и углекислота, а также продукты обмена веществ легко диффундируют из крови в ткани и из тканей в кровь. • Кровеносные сосуды — эластичные трубчатые образования различного диаметра, составляющие замкнутую сердечнососудистую систему и выполняющие функцию транспортировки крови ко всем органам и тканям, регулирующие их кровоснабжение и участвующие в обмене веществ и газообмене. Кровообращение • Сердце – центральный орган кровообращения. • Оно находится внутри специального мешка – околосердечной сумки, она содержит небольшое количество жидкости, выполняющей роль смазки. • Сердце действует подобно насосу. При каждом сокращении оно силой выбрасывает в сосуды очередную порцию крови, создавая в них давление. • Кровь, находясь в непрерывном движении, благодаря физическому явлению - диффузия доставляет тканям и клеткам человека питательные вещества, кислород. Определение мощности работы сердца в покое и при физической нагрузке Участники m, кг эксперимента V, м3 N V0, м3 P, мВт N1 V1, м3 P1, Вт P1, мВт Игорь Андрей Инна Вероника 0,0051 0,0027 0,0038 0,0031 54 62 64 57 0,0001 0,000046 0,00006 0,000055 12,31 5,65 7,8 7,1 79 98 92 98 0,0079 0,004508 0,00552 0,00539 1,04 0,6 0,72 0,71 1040 600 720 710 76 40 57 46 Вычисляла мощность сердца в покое (P) и при физической нагрузке (P1 ) Мощность работы сердца при физической нагрузке увеличивается практически в 100 раз по сравнению с мощностью сердца в покое. Определение систолического и диастолического давления крови Участники эксперимента Игорь Андрей Вероника Инна № 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 рс, мм рт.ст. 132 130 127 113 112 118 110 128 117 111 118 108 рс.ср,мм. р д , мм рт.ст. рт.ст. 129,7 66 72 56 114,3 64 63 60 118,3 62 75 69 112,3 69 67 73 р д.ср , мм рт.ст. 64,7 62,3 68,7 69,7 У меня, Вероники и Андрея систолическое и диастолическое давление нормальное и примерно одинако-вое, систолическое давление Игоря оказалось повышенное, по сравнению с другими участниками эксперимента. Игорю необходимо провериться у врача. Глаз как оптическая система • Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Ресничное тело обеспечивает изменение формы хрусталика. • Оптическую систему глаза составляют роговица, водянистая влага, хрусталик и стекловидное тело. Особенностью этой системы является то, что последняя среда, проходимая светом непосредственно перед образованием изображения на сетчатке, обладает показателем преломления, отличным от единицы. Глаз как оптическая система • Поток излучения, отраженный от наблюдаемого предмета, проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на внутренней поверхности глаза – сетчатой оболочке, образуя на ней обратное и уменьшенное изображение (мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно воспринимается как прямое). • Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией. Определение горизонтального и вертикального полей зрения глаз • Поле зрения глаза - это угол максимального видения . Поля зрения у человека по вертикали и горизонтали разные. Каждый глаз видит в горизонтальном направлении примерно в пределах 120-130°, оба угла почти перекрываются. Поле зрения неподвижного глаза около 60° по горизонтали и около 130° по вертикали. Определение горизонтального и вертикального полей зрения глаз Горизонтальное поле зрения неподвижного глаза в результате экспериментов было около 60°. Вертикальное поле зрения неподвижного глаза около 80° - 90°. Вертикальное поле зрения оказалось больше, чем горизонтальное поле зрения, но немного меньше, определенного учеными. Обнаружение слепого пятна в нашем глазу Если вам скажут, что прямо перед вами в поле зрения есть участок, который вы совершенно не видите, вы этому, конечно, не поверите. Люди только в XVIII в. узнали, что на сетчатке глаза существует «слепое пятно». Это то место сетчатой оболочки, где зрительный нерв соединяется с глазным яблоком и ещё не разветвляется на чувствительные к свету элементы. Я на опыте убедилась, что прямо перед нами в поле зрения есть участок, который мы совершенно не видим. Это участок существует, так как на сетчатке глаза существует «слепое пятно», в котором нет чувствительных к свету элементов. Роль головного мозга Основную роль в управлении организмом играет головной мозг. Блоки функциональной организации мозга. 1. Энергетический блок. Поддерживает тонус, необходимый для нормальной работы нервной системы. Расположен в верхних отделах мозгового ствола. 2. Блок приема, переработки и хранения информации. Включает задние отделы полушарий головного мозга, теменные, затылочные и височные отделы его коры. 3. Блок, обеспечивающий программирование, регуляцию и контроль деятельности нервной системы. Расположен в лобных отделах коры головного мозга. Определение тактильной чувствительности Тактильная чувствительность различных участков кожи различна. Конечно, каждый человек обладает отличной от других тактильной чувствительностью, но наиболее чувствителен у всех участников эксперимента – кончик языка, затем кончики пальцев и тыльная сторона ладони. Наименьшей чувствительностью обладают голень и плечо Определение времени собственной реакции Время реакции составляет доли секунды, я заметила, что при определённой тренировке время реакции существенно (в 1,3 - 1,6 раза) уменьшается. Определение скорости прохождения нервного импульса При прикосновении пальца к нагретому телу нервный сигнал проходит путь от пальца до мозга и обратно. Скорость передачи импульса по самим нейронам равна скорости распространения электрического тока, т.е. практически мгновенна. Зная время реакции, рассчитала скорость прохождения нервного импульса. Скорость оказалась равной 8 – 10 м/с или 36 км/ч Человеческое тело - источник электричества Учеными разработаны новые электрические схемы, которые позволяют использовать тепло человеческого тела для генерации электрической энергии. В палате интенсивной терапии к телу пациента подключают различное медицинское оборудование, которое отслеживает показатели сердцебиения, кровяного давления, пульса и дыхания, медицинские датчики будут работать без подключения к электросети, используя тепло человеческого тела для получения энергии, необходимой им для работы. Определение электрического сопротивления участка тела Сопротивление Руки Между рукой и животом Длина тела 80 40 52 90 92 200 145 109 0,2 0,1 0,2 0,2 0,3 0,6 0,5 0,4 2500 2500 3846 2222 3261 3000 3448 3700 Сопротивление человеческого тела на различных участках различно, причем сопротивление сухого тела очень велико, измеряемая сила тока была очень мала (значения не приводятся). При смачивании участков тела водой сила тока растет, а сопротивление уменьшается (данные приведены при измерении сопротивления влажных участков тела). Определение удельного сопротивления тела Участники эксперимента l, м L, м Антон 28 0,4 0,07 0,06 58,5 Андрей 20 0,2 0,07 0,06 40,9 Считая палец цилиндром диаметра из однородного вещества, вычислила удельное сопротивление тела: Определение общего сопротивления своего тела Участники эксперимента Инна L, м 67,5 1,65 0,97 1488 Тело человека можно представить в виде однородного цилиндра средним диаметром d (в области бёдер) и высотой . Общее сопротивление тела, вычисленное по формуле оказалось не очень большим (примерно 1,5 кОм), так как измерялись сила тока и напряжение между влажными участками тела. Ребятам необходимо помнить, что сопротивление влажного тела резко уменьшается по сравнению с сухим телом. Поэтому при пользовании электроприборами необходимо помнить об этом. Определение электрической ёмкости своего тела Участники эксперимента Инна Алексей Регина S , м2 1,55 1,7 1,51 C, Ф 3,9∙10-11 4,1∙10-11 3,85∙10-11 Емкость тела человека в моих измерениях составляет несколько десятков пикофарад (39 - 41пФ). Это небольшая емкость. Тело человека – проводник электричества, поэтому электрический заряд с тела человека быстро стекает на Землю, обладающей большой электроемкостью. Но это происходит тогда, когда есть заземление, т.е. на человеке нет резиновой обуви, одежды, перчаток. При работе с электричеством необходимо изолировать свое тело от электрического заряда, одевая прорезиненную одежду и обувь. Передача звука через тело • Японская корпорация Sony подала заявку на патент, в которой описывается новая технология беспроводной передачи звука. Принцип работы нового аудиустройства основан на том, что человеческое тело способно проводить электрические сигналы. При этом сила тока будет крайне мала, и человек не будет испытывать какихлибо неприятных ощущений. Существует мобильный телефон, использующий для передачи звуков проницаемость костей черепа. Пределы выносливости человека Учеными проводились опыты для определения температуры, которую человеческий организм способен выдержать в сухом воздухе. Температуру 71°С обычный человек выдерживает в течение 1 ч, 82°С — 49 мин, 93°С — 33 мин, а 104°С — только 26 мин. В США специалисты в области авиационной медицины определяли время воздействия тепловой нагрузки, ограниченной болевыми ощущениями. Оказалось, что в обнаженным человек может выдержать нарастание температуры стен термокамеры до 210°С, а в тяжелой зимней полетной одежде — до 270°С. Тренированный организм борется с нагреванием обильным потоотделением; испарение пота поглощает значительное количество тепла из того воздуха, который непосредственно прилегает к коже и понижает его температуру. Необходимые для этого условия состоят в том, чтобы тело не соприкасалось непосредственно с источником тепла и чтобы воздух был сух. Определение болевой нагрузки на кожу Участники d,м эксперимента Инна 0,00033 Антон Андрей Семен F, H 0,02 0,05 0,02 0,03 233955,1 584887,7 233955,1 350932,6 Игла имеет очень маленький диаметр, а значит и площадь острия, поэтому оказывает большое давление на поверхность (давление обратно пропорционально площади). В ходе своих экспериментов, вычислений, я пришла к выводу, что человек может выдержать достаточно сильное давление на поверхность тела – сотни тысяч Паскаль. У разных ребят разный болевой порог. Думаю, что это зависит от индивидуальных особенностей человека. Определение количества теплоты, отдаваемого нашим организмом в окружающую среду. Участники эксперимент а Алексей Вероника Инна Регина Игорь m,кг tт t Q, кДж 64 46 57 56 76 36,6 36,6 36,6 36,6 36,6 21 21 21 21 21 998400 717600 889200 873600 1185600 Человеческий организм является источником тепла. Пятеро ребят, принявших участие в эксперименте заменят две с половиной батареи, имеющих температуру 60С За пределами ваших возможностей Под влиянием стимулирующих и тонизирующих воздействий человек способен вынести нагрузку, недопустимую для него в обычном состоянии. Подсчеты показывают, что в повседневной деятельности человека участвует 35% его абсолютных возможностей. Это диапазон привычной нагрузки на организм. При нагрузке в пределах от 35% до 65% абсолютных возможностей, приводящей к утомлению, появляется необходимость включения волевых усилий или стимулирующих воздействий. Это диапазон мобилизации первого эшелона резервов. Нагрузка выше 65% абсолютных возможностей может быть выполнена только преодолением порога мобилизации второго эшелона резервов. Стимуляторы этого уровня относятся к допингам. Вычисление объема своего тела Участники эксперимента l, м Lтул, м b, м с, м Lр , м lр1, м lр2, м Lн, м lн1, м lн2, м V, м3 Инна 0,57 0,6 0,27 0,13 0,76 0,23 0,15 0,88 0,58 0,21 0,052 Алексей 0,61 0,6 0,4 0,2 0,8 0,3 0,18 0,99 0,53 0,27 0,054 Андрей 0,6 0,58 0,3 0,18 0,72 0,26 0,17 0,82 0,46 0,25 0,049 Денис 0,59 0,61 0,31 0,16 0,77 0,27 0,19 0,9 0,51 0,25 0,057 Моделью человеческого тела можно считать набор следующих геометрических фигур: голова – шар, туловище – прямоугольный параллелепипед, руки и ноги – усеченные конусы. Вычисление плотности тела человека Участники эксперимента Инна Алексей Денис т, кг V, м3 ρ, кг/м3 57 64 60 0,052 0,054 0,057 1096 1185 1057 Средняя плотность тела человека 1036кг/м3, она немного больше плотности воды. Конечно, в моих измерениях присутствует погрешность, но в целом результаты эксперимента можно считать достоверными. Более близкой к средней плотности человека получились результаты измерений результаты плотности у меня и Дениса. Роль двигательной активности и питания Двигательная активность и сбалансированное питание играют большую роль в жизни человека для повышения его устойчивости к вредным воздействиям, крепкого здоровья и высокой работоспособности. Роль движения и питания Данные социологического исследования 71,2 % школьников нравится заниматься физической культурой, одному из всех опрошенных не нравится, а 27,4% занимаются, т.к. это им необходимо Данные социологического исследования Как условие увеличения продолжительности жизни человека на 1 место ребята ставят двигательную активность, физические упражнения (65,8%), на второе - полноценное питание – 53%, на третье место отсутствие вредных привычек (47,95%). Данные социологического исследования В первую очередь, по мнению ребят отрицательно влияют на здоровье курение (95,9%), наркотики (94,5%), алкоголь (93,2%), затем – плохое питание (64,4%), и по мере убывания - стрессы, увлечение компьютерными играми, гиподинамия (малая двигательная активность), переутомление, тяжелый труд. Возможности человека Достижения науки и техники последних лет расширяют возможности органов человека, позволяют человеку двигаться, видеть и слышать в таких диапазонах и масштабах, которые либо не встречаются у других живых существ, либо значительно их превосходят. Благодаря соединению органов человеческого тела с современными техническими средствами возрастает «разрешающая сила» органов чувств и расширяется сфера человеческого познания мира. С другой стороны, интенсификация производства, развитие средств связи, транспорта, возрастание потока информации имеют и негативное воздействие на организм, выражающееся в возникновении сердечно-сосудистых, нервно-психических и иных заболеваний. В этих условиях важно стремиться к тому, чтобы нашим жизненным правилом стало нравственное и физическое самосовершенствова-ние, развитие резервов организма. Человечество обязано прийти к девизу «Болезнь—это преступление!» Возможности человеческого тела Данные социологического исследования 67% учеников 5 – 11 классов считают, что человеческое тело обладает большими возможностями, но они до конца не изучены Результаты работы: на практике исследовала особенности человеческого организма (провела более 20 экспериментальных работ); провела с учениками 9, 10 классов экспериментальную работу «Расчет энергетической ценности пищевого рациона и энергетических затрат учащихся 9 – 10 классов в течение учебного дня»; исследовала степень понимания человеческих возможностей и значимости здорового образа жизни учащимися школы (социологический опрос учащихся 5 – 11 классов); подготовила учебно-методический материал для проведения уроков физики, биологии, физической культуры; осуществила подборку характеристик человеческого тела «Физические параметры человека»; приготовила 2 презентации, 3 буклета по теме проекта. Результаты работы: выступила с беседой «Двигательная активность, питание – факторы повышения устойчивости человека к вредным воздействиям» в 8, 10, 11 классах Составила памятку для родителей «Рациональное питание школьников» Выводы: существует взаимосвязь наук о природе: биологии, химии и физики; законы природы едины, законы физики применимы к живому организму; физические особенности, возможности человека и резервы его организма велики, познаваемы; роль двигательной активности и сбалансированного питания играют большую роль в жизни человека для повышения его устойчивости к вредным воздействиям; подавляющее большинство учеников 5 – 11 классов понимают значимость здорового образа жизни для человека; изучение физики, химии, биологии и прочих наук, позволяет лучше понять природу человеческого тела и разума. Литература 1.Агаджанян Н. Л. Человеку жить всюду,— М.: Сов. Россия, 1982. 2.Балашов М.М. О природе. – М.: Просвещение, 1991. 3.Билимович Б.Ф. Световые явления вокруг нас. – М.: Просвещение, 1986. 4.Енохович А.С. Справочник по физике и технике: Учеб.пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1989. 5.Познай самого себя: Практические работы и экспериментальные мини- проекты: измерение параметров человека. 9 – 11 классы. - Библиотечка «ПС», 2009. 6.Физика. Полный школьный курс/ В.А. Орлов, Г.Г. Никифоров, А.А.Фадеева, Н.К. Ханнаков, Ю.А. Сауров, О.Ф. Кабардин. - М.:АСТ-ПРЕСС, 2000. 7.Сёмке А.И. Оценка суточных энергетических затрат человека. -Библиотечка «ПС», 2008, № 22, «Практические работы с экологическим содержанием». 8.Сёмке А.И. Данные для составления задач. - Библиотечка «ПС», 2007, № 6 (18), «Итоговая аттестация по физике. 11-й класс». 9.http://worldrecords.narod.ru/chel_tel/chasti_tela_neopredelen_ch2.html 10.http://stolica.at.ua/publ/ 11.http://whatafuck.ru/people-records/ 12.http://www.do120.ru 13.http://fansport.sitecity.ru 14.http://ru.wikipedia.org/wiki/ 15. http://clck.yandex.ru/redir 16. http://aniavetisyan.volsk-sch11.edusite.ru 17. http://www.medicinform.net/human/fisiology1_4.htm
