Пояснительная записка

 

В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако в связи с изучением вопросов психологии в школе, моделировании процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой науки как бионика у учащихся всё чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

В ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с методами исследования в физике и биологии, получат краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Навыки, полученные при работе с измерительными приборами, выполнение практических работ и постановка эксперимента пригодятся в дальнейшей научно-технической деятельности. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет им установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и биологии.

Программа курса носит практико-ориентированный характер с элементами научно-исследовательской деятельности. Данный элективный курс может быть использован для преподавания в классах с биолого-химическим или медицинским профилями.

Изучение элективного курса рассчитано на 17 часов, из них на изучение теоретических вопросов 7,3 ч. (43%), практических занятий  (решение задач, выполнение лабораторных работ) –9,7 ч. (57%)

Основные цели курса:

·                     Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а также показать в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные на спецкурсе знания.

·                     Создать условия для формирования и развития интеллектуальных и практических умений у учащихся в области физического эксперимента.

·                     Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию.

Задачи курса:

·                     Способствовать формированию познавательного интереса к физике, развитию творческих способностей у учащихся.

·                     Развивать интеллектуальную компетентность учащихся.

·                      Формировать навыки выполнения практических работ, ведения исследовательской деятельности.

·                     Совершенствовать навыки работы со справочной и научно популярной литературой.

По окончании изучения курса учащиеся должны

знать:

·                     Какие физические законы можно использовать при объяснении процессов, происходящих в организме человека.

·                     Особенности своего организма с точки зрения законов физики.

уметь:

·                     Работать с различными источниками информации.

·                     Наблюдать и изучать явления, описывать результаты наблюдений.

·                     Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять измерения, представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков, ставить исследовательские задачи.

 

Основное содержание курса

Содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. В курсе рассматриваются вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. По окончании изучения курса учащиеся составляют “Физический паспорт человека”.

 

Механические параметры человека 10ч.

Физика. Человек. Биофизические исследования в физике. Линейные размеры различных частей тела человека, их масса. Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек.

Кинематические величины и тело человека.

Движение тела в поле силы тяжести. Свободное падение. Время реакции человека. Движение тела, брошенного под углом к горизонту.

Первый закон Ньютона. Инерция в живой природе. Второй закон Ньютона. Определение силы человека. Динамика мышечной ткани. Третий закон Ньютона.

Тело человека в гравитационном поле земли. Условия длительного существования человека на космической станции. Меры защиты летчиков и космонавтов от ускорения. Невесомость и перегрузки.

Прямохождение и опорно-двигательная система человека. Ходьба человека. Виды суставов. Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность биологических материалов. Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации.

Проявление силы трения в организме человека, естественная смазка. Тормозной путь.

Давление. Атмосфера и человек. Дыхание. Давление жидкости. Давление крови.  Законы движения крови в организме человека.

Сохранение равновесия живыми организмами. Центр тяжести тела человека. Рычаги в теле человека.

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности. «Энергетика» и развитие человека. Применение закона сохранения энергии к некоторым видам движения человека.

Роль атмосферного давления в жизни человека. Осмотическое давление. Изменение кровяного давления в капиллярах. Органы дыхания.

Лабораторные работы.

1.                  Проведение антропологических измерений

2.                  Определить среднюю скорость движения.

3.                  Определение времени реакции человека.

4.                  Градуировка динамометра и определение становой силы человека.

5.                  Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

6.                  Определение мощности, развиваемой человеком.

 

Колебания и волны в живых организмах 2ч.

Колебания и человек. Происхождение биоритмов. Сердце и звуки, сопровождающие работу сердца и легких, их запись.

Звук как средство восприятия и передачи информации. Орган слуха. Ультразвук и инфразвук. Область слышимости звука. Голосовой аппарат человека. Характеристики голоса человека.

Лабораторная работа.

7.      Определение дыхательного объема легких человека.

8.      Проведение инструментальных измерений и функциональных проб.

9.      Подсчет пульса до и после дозированной нагрузки.

10.  Изучение свойств уха.

 

Тепловые явления 1 ч.

Терморегуляция человеческого организма. Влажность. Органы дыхания. Тепловые процессы в теле человека. Человек как тепловой двигатель. Лабораторная работа.

11.  Подсчет энергетических затрат и определение калорийности рациона

 

Электричество и магнетизм 2ч.

Электрические свойства тела человека. Биоэлектричество. Бактерии – первые электрики Земли. Фоторецепторы, электрорецепторы, биоэлектричество сна. Электрическое сопротивление органов человека постоянному и переменному току.

Человек в мире электромагнитных излучений.

Лабораторная работа.

12.  Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.

 

Оптические параметры человека 1ч.

Строение глаза человека. Сила аккомодации глаза. Оптическая сила. Дефекты зрения и способы их исправления. Особенности зрения человека. Разрешающая способность глаза человека. Как получается, что мы видим. Для чего нам два глаза. Спектральная и энергетическая чувствительность глаза.

Лабораторная работа.

13.  Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.

14.  Определение характеристических параметров зрения человека.

15.  Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза.

 

Система аттестации учащихся. После окончания изучения курса зачет ставится при выполнении следующих условий:

1.                          Активное участие в подготовке и проведении семинаров, конференций, выпуске газет, изготовлении моделей.

2.                          Выполнение не менее половины лабораторных работ.

3.                          Выполнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского характера.

4.                          Составление “Физического паспорта человека”.

Тематическое планирование курса

 

№ п/п	Тема занятия	Количество часов
		всего	теория	практика
Механические параметры человека (10 ч)
1.	Физика. Человек. Окружающая среда.	1	0,5	0,5
2.	Кинематика и тело человека.	1	0,4	0,6
3.	Движение тела в поле силы тяжести.	1	0,3	0,7
4.	Законы Ньютона в жизни человека.	1	0,5	0,5
5.	Гравитация и человек.	1	0,6	0,4
6.	Прямохождение и опорно-двигательная система человека.	1	0,3	0,7
7.	Проявление силы трения в организме человека.	1	0,4	0,6
8.	Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности.	1	0,3	0,7
9.	Статика в теле человека.	1	0,4	0,6
10.	Давление и тело человека.	1	0,6	0,4
Колебания и волны в живых организмах (2 ч)
11.	Колебания и человек.	1	0,5	0,5
12.	Звук.	1	0,4	0,6
Тепловые явления (1 ч)
13.	Тепловые процессы в теле человека.	1	0,5	0,5
Электричество и магнетизм. (2 ч)
14.	Электрические свойства тела человека	1	0,4	0,6
15.	Человек в мире электромагнитных излучений.	1	0,5	0,5
Оптические параметры человека (1 ч)
16.	Глаз и зрение	1	0,4	0,6
17.	Конференция.	1		1
	Итого:	17	7,3	9,7

 

 

физика. человек. окружающая среда.

Цель занятия: - сформировать представление об особенном положении человека в природе и заставить задуматься о человеке с одной стороны, как об одном из представителей животных, а с другой стороны, как об уникальном создании природы; сформировать интерес к изучению физических явлений.

Оборудование: иллюстрации к уроку, ростомер, весы.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Постановка учебной проблемы.	3 – 5	Сообщение учителя.
2. Изучение нового материала:	15-20	Рассказ учителя с элементами беседы. Использование рисунков. Решение задач.
3. Углубление и отработка знаний и умений.	10-15	Решение задач.
4. Подведение итогов.	5-6	Выделение главного учителем. Составление синквейна.
5. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Приветствие учащихся. Мобилизация внимания учащихся, проверка их готовности к уроку. Учащиеся знакомятся с планом урока.

Учитель: В этом году вы приступили к изучению нового курса – «Физика человека». Но прежде чем говорить о науках, изучающих человека, давайте попытаемся определить, что же такое человек. Человек (Homo sapiens) – это один из видов животных, обитающих на нашей планете.

- Как бы вы охарактеризовали человека как представителя царства животных?

Виду Homo sapiens давали самые различные определения: разумное, политическое, пользующееся орудиями, обладающее самосознанием существо. Вооруженные высокоразвитой техникой и организованные в крупные социальные группы, мы в настоящее время используем растения и животных, преобразуем поверхность Земли для удовлетворения наших потребностей в пище, топливе, жилье и транспорте. Мы обладаем оружием, способным полностью стереть с лица Земли большинство видов организмов.

2. Изучение нового материала принимает характер лекции с элементами эвристической беседы.

Учитель: И, тем не менее, организм человека состоит из тех же химических элементов, что и все прочие животные, – углерода, водорода, кислорода и азота. Как сказал французский физиолог Дюбуа-Реймон: «Атом железа остается тем же, независимо от того, пролетает ли он внутри метеора межзвездное пространство, катится ли с грохотом по рельсам в колесе локомотива или как составная часть гемоглобина течет в мозгу поэта». Мы отличаемся лишь тем, как эти элементы сгруппированы, образуя клетки, ткани и системы органов, которые составляют организм, обладающий особенностями, не встречающимися у других существ.

Скачущая лошадь обгонит бегущего человека. У орла более острое зрение, чем у человека. Нашим зубам и ногтям не сравниться с клыками и когтями леопарда. Но организм человека обладает особенностями строения, сочетание которых дает ему решающее преимущество перед другими видами.

- Назовите особенности строения человека. (Прямостоячий скелет; подвижные руки, способные манипулировать предметами; трехмерное цветное бинокулярное зрение; сложное строение мозга)

Знания физических законов, явлений вы часто используете на разных уроках для объяснения других явлений. Физика дала другим наукам еще и методы исследований, приборы, не только для измерений. Об этом будет идти разговор на сегодняшнем уроке. (Учащиеся приводят примеры применения физических знаний в других науках, изучаемых в школе).

Интерес физиков к биологии в 19 веке непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30- х годов 20 века появляется электронный микроскоп. Эффективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгеноструктурный анализ. Укрупняется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широко проникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и молекулярная биофизика. Добившись больших успехов в познании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой матери". В молекулярной биофизике создаются широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов электрических, электронных, математических и т. п.

- Может ли является ли человек объектом изучения физики? Человек живет в мире, устроенном и функционирующем в соответствии с законами, являющимися, предметом изучения физики. Само происхождение человека, особенности, которыми он обладает, его будущее связано не только с эволюцией окружающего мира, но и с развитием свойств человека и определяются физическими условиям во Вселенной и физическими законами, действующими в ней.

- Какие действия может совершать человек, как физический объект? (Совершает перемещения, участвует в силовых и взаимодействиях, подвергается влиянию физических полей разного рода; функционирование отдельных частей тела человека (физиологические системы, органы клетки), взаимодействие с окружающей средой (метаболизм определяются физическими процессами)).

По сравнению с другими науками, по определению изучающими человека,- биологией, физиологией, генетикой, психологией, философией, социологией - физика позволяет «увидеть» этот исключительно важный в современном мире объект исследования с новой точки зрения и дополнить психобиологическое представление о человеке физической причинностью.

- Какими физическими параметрами можно охарактеризовать человека?

Человеческое тело можно охарактеризовать множеством разнообразных параметров. Уже тысячелетия пытаются люди найти математические закономерности в пропорциях тела человека, прежде всего человека, хорошо сложенного, гармоничного Гармоничность телосложения создает впечатление о соразмерности всех его частей, которая может быть выражена простыми числовыми отношениями. Для анализа этих отношений нужна была единица измерения, какая-то часть тела.

На протяжении многих веков отдельные части тела человека служили основой всех измерений, являлись естественными единицами длины. Так, у древних египтян было три единицы длины: локоть (466 мм), равнявшийся семи ладоням (66,5 мм), ладонь, в свою очередь, равнялась четырем пальцам. Мерой длины в Греции и Риме была ступня. Основными мерами длины в России были сажень и локоть, связанные с ростом человека; кроме этого, применялся дюйм — длина сустава большого пальца, пядь — расстояние между концами раздвинутых большого и указательного пальцев, ладонь — ширина кисти руки.

Естественно поэтому и возникновение попыток определить размеры человеческого тела, его частей путем сравнения с какой-либо естественной единицей длины.

 

Рис. 1

 

Еще в Древнем Египте за единицу измерения тела принимали длину стопы, в более поздние времена — длину среднего пальца руки. Легко убедиться, что высота человека составляет в среднем 7 длин его стопы. Подобные попытки описать пропорции человеческого тела предпринимались и в Древней Греции, начиная с пифагорейцев. В соответствии с эстетическим каноном греческого скульптора Поликтета единицей измерения тела (названная впоследствии модулем) служила голова; длина тела должна быть равной восьми размерам головы.

В эпоху Возрождения интерес к изучению пропорций человеческого тела снова возрос. Леонардо да Винчи предпринял ряд измерений, из которых он вычислил средние размеры человека. В качестве единицы измерений пропорций тела он принял голову, но не всю длину черепа, а только длину лица.

Многие пропорции человеческого тела можно выразить отношением небольших целых чисел, если пренебречь некоторой погрешностью. Для этого можно воспользоваться средними статистическими (антропометрическими) данными населения нашей страны. Эти данные для мужчин и женщин существенно различаются и приводятся раздельно. Вот некоторые из них (для мужчин и женщин): рост 1680 и 1567, длина руки — 723 и 661, длина ноги — 900 и 835, высота линии талии — 1035 и 976, высота колена — 506 и 467, ширина плеч — 380 и 349, рост сидя — 1310 и 1211, длина бедра — 590 и 568 мм. Используя эти статистические данные, можно рассчитать пропорции различных частей тела, например, по отношению к росту человека. Полученные таким образом пропорции оказались очень близкими к целочисленным отношениям. Среднее отклонение целочисленных отношений от действительных составляет всего 0,6%.

Золотая пропорция занимает ведущее место в художественных канонах Леонардо да Винчи и Дюрера. В соответствии с этими канонами золотая пропорция отвечает не только делению тела на две неравные части линией талии. Высота лица (до корней волос) относится к вертикальному расстоянию между дугами бровей и нижней частью подбородка, как расстояние между нижней частью носа и нижней частью подбородка относится к расстоянию между углами губ и нижней частью подбородка, это отношение равно золотой пропорции.

Рис. 2

Пальцы человека состоят из трех фаланг: основных, средних и ногтевых. Длина основных фаланг всех пальцев, кроме большого, равна сумме длин двух остальных фаланг, а длины всех фаланг каждого пальца соотносятся друг к другу по правилу золотой пропорции. Это особенно четко проявляется при замере костей пальцев. Длина пястных костей, являющихся основой кисти, очень близка к длине суммы двух костей фаланг — основной и средней. Как видим, в строении кости соблюдается принцип золотой пропорции.

Измерив тысячи человеческих тел, Цейзинг установил, что золотая пропорция есть среднестатистическая величина, характерная для всех хорошо развитых тел. Он нашел, что средняя пропорция мужского тела близка к 13/8 = 1,625, а женского — к 8/5=1,60. Аналогичные значения получены и при анализе антропометрических данных населения (1,623 для мужчин и 1,605 для женщин). Пропорции тела мужчин и женщин отклоняются в разные стороны от золотой пропорции — иррациональной предельной величины, равной 1,618..., в чем выражается, очевидно, геометрическое различие в половой анатомии мужчин и женщин.

Неоднократно предпринимались попытки создать идеализированную эталонную модель гармонически развитого человеческого тела.

Длина тела может существенно изменяться под влиянием физических нагрузок. Так, в баскетболе, волейболе, прыжках в высоту и т.п. рост тела человека в длину ускоряется, в то время как при занятиях тяжелой атлетикой, спортивной гимнастикой – замедляется. Поэтому рост является ориентиром при отборе для занятий тем или иным видом спорта.

Зная длину тела стоя и сидя, можно найти коэффициент пропорциональности (КП) тела:

, где L₁ – длина тела стоя, L₂ – длина тела сидя. В норме КП=87 – 92 %, у женщин он несколько ниже, чем у мужчин.

·         Определите коэффициент пропорциональности своего тела.

Известно, что размах вытянутых в стороны рук человека примерно равен его росту, вследствие чего фигура человека вписывается в квадрат и в круг. Известны «идеальные» фигуры, созданные Леонардо да Винчи и Дюрером. Очевидно, не случайно природа «вписала» тело человека в квадрат как одну из наиболее простых и симметричных геометрических фигур. Но и здесь соответствие квадрату среднестатистическое, приближенное, у людей могут быть отклонения от этой идеальной геометрии. Похоже, что и здесь фигура человека с распростертыми руками вписывается не в идеальный квадрат со сторонами 1: 1, а в «живой квадрат» В. И. Жолтовского с отношением сторон 0,528 : 0,472.

Рис. 3.

Одним из важнейших показателей физического развития человека считают площадь поверхности тела, которая определяется формулой Jssakson для лиц с суммой веса и длины тела больше 160 единиц:

, где S- площадь поверхности тела (м²), W –вес тела (г), Н – длина тела (см). Для низкорослых людей с суммой веса тела и длины тела меньше 160 единиц используют формулу Бойда:

,

где S – площадь тела (см²), Н – длина тела (см), W – вес тела в граммах.

·         Рассчитайте площадь поверхности своего тела.

Возраст вселенной, по данным современной науки, равен 10¹⁸ с. Это наибольший временной интервал, известный людям. От наименьшего временного промежутка (10^-24 с) – времени, за которое свет проходит расстояние, равное размеру атомного ядра – он отделен более чем 40 порядками. Единица времени 1 с совпадает с промежутком времени между двумя последовательными сокращениями сердечной мышцы человека.

Рис. 3.

- Человеческое сердце – великолепный двигатель. В среднем оно бьется с частотой 72 удара в минуту. Сколько ударов совершит сердце к 70 годам?

Диапазон масс, характеризующих окружающий мир, - от массы электрона (9*10^{-31 кг) до массы известной части Вселенной (1053 кг) – составляет приблизительно 80 порядков. Человек, чья масса находится в пределах 50- 100 кг, располагается близко к центру этого диапазона.}

Интересным параметром, описывающим распределение вещества в пространстве, является плотность. Интервал плотностей разных видов вещества во Вселенной очень велик: от плотности Вселенной через 10^-42 с после Большого Взрыва (10⁹³ кг/м³) до плотности вещества в межгалактическом пространстве (10^-30 кг/м³).

- Почему средняя плотность человека и животных почти полностью совпадает с плотностью воды?

Из всех возможных форм существования жизни на нашей планете развилась химическая форма жизни. Одна из особенностей химической жизни - способность образовывать большие сложные молекулы, что, в свою очередь, позволяет запасаться информацией, необходимой для функционирования живого организма. При этом земная жизнь использует в качестве среды, в которой происходят химические реакции, обеспечивающие сохранение жизни и размножение, - воду. Говоря, что человек состоит из воды, мы подчеркиваем, что вода в качестве жизненной среды «победила» в процессе эволюции газы и твердые тела, так как с энергетической точки зрения «химия» растворов оказалась более выгодной, чем «химия» других физических веществ.

На поверхности нашей планеты с большим количеством водоемов живые существа с плотностью, большей плотности воды, не могли бы плавать и погибли бы, попав в любую подходящих размеров впадину с водой. У таких существ должна быть больше доля массы костного вещества в общей массе тела. Последнее означает уменьшение удельной силы и подвижности этих существ, что, конечно, уменьшило бы их шансы на выживание в трудных природных условиях.

Сложность живых организмов также определяется многочисленностью составляющих их частиц. Скажем, человек состоит из 10¹⁴ живых клеток, каждая из которых, в свою очередь, состоит из 10¹² – 10¹⁴ атомов.

Рассмотрение перечисленных выше отрезков приводит к выводу, что значения физических величин, характеризующих человека, лежат примерно посередине между областями, относящимися к мега- (Вселенная) и микро- (ядро) мирам. Особое положение параметров, характеризующих человека, укрепляет догадку о том, что в качестве количественной меры познающей природу человек выбрал себя.

Таблица 1.

Физические параметры человека

(средние значения физических величин)

Скорость пешехода	1,3 м/с
Сила сжатия динамометра кистью (в 16 лет)	450 Н
Предел прочности кости предплечья на сжатие	170 МПа
Мощность, расходуемая взрослым человеком в процессе  сна.	74 Вт (63 ккал/ч)
спокойной ходьбы.	310 Вт (270 ккал/ч)
Энергия, необходимая для жизнедеятельности за год	4,7 • 109 Дж
Коэффициент полезного действия мускулов	около 20 %
Нормальная температура тела	Зб,7°С
Масса воды, испаряющейся с поверхности тела за сутки	0,8-2,0 кг
Объем крови, выбрасываемой сердцем за одно сокращение	60 см3
Скорость крови в артериях до	0,5 м/с
Избыточное давление крови в артериях	16/9,3 кПа (120/70 мм рт. ст.)
Сила постоянного тока безопасная до	1 мА
Электрическое сопротивление от одной ладони до другой	4400 Ом
Скорость движения раздражения по нервам	40 – 100 м/с
Оптическая сила глаза	60 дптр
Угол зрения глаза	130-160°
Диапазон длин волн видимого света	380—760 нм
Интенсивность света на пороге видимости	4 • 10-13 Вт/м2
Расстояние наилучшего зрения	25 см
Угловое разрешение глаза	1 с
Число различаемых цветовых оттенков	До 10 млн.
Мощность голоса нормальная	5 мкВт
Диапазон звуковых частот
воспроизводимых при разговоре	85-340 Гц (2 октавы)
слышимых	16 Гц-20 кГц (10 октав)
Интенсивность звука на пороге слышимости	10-12 Вт/м2
Длительность нервного импульса	1 мс
моргания	0,4 с
зрительного ощущения	0,14 с
слухового ощущения	0,1 с

3. Углубление и отработка изученного материала организуется при решении задач и выполнении заданий.

·         Оцените число молекул, составляющих тело человека.

·         Подсчитайте свой возраст в секундах с точностью не менее 3*104 с (с учетом високосных годов).

·         Сколько поколений людей сменилось со времени  появления первобытного человека?

4. Обсуждение содержания урока. Составить синквейн к слову «Человек».

Слово синквейн происходит от французского " пять". Это стихотворение из пяти строк, которое строится по правилам.

В первой строчке тема называется одним словом (обычно существительным).

Вторая строчка - это описание темы в двух словах (двумя прилагательными).

Третья строчка - это описание действия в рамках этой темы тремя словами.

Четвертая строка - это фраза из четырех слов, показывающая отношение к теме. Последняя строка - это синоним из одного слова, который повторяет суть темы.

Если следовать правилам, может получиться, например, такой синквейн:

5. Домашнее задание:  Выполнить лабораторную работу № 1.

 

Кинематика и тело человека.

Цель занятия: - повторить основные кинематические величины.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	10 – 15	Работа в группах.
2. Совершенствование знаний и умений.	25 – 30	Рассказ учителя. Ответы на вопросы. Решение задач.
3. Подведение итогов.	5-6	Выделение главного учителем.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Учащиеся разбиваются на группы и по цепочке друг за другом повторяют определения основных кинематических понятий.

2. Обратимся к важнейшим положениям урока с соответствующими методическими комментариями. Они помогут учителю подготовить рассказ или лекцию при ином построении урока.

Учитель: Кинематика движений человека определяет пространственную форму движений и их изменения во времени без учета масс и действующих сил. Она дает в целом только внешнюю картину движений. Причины же возникновения и изменения движений (их механизм) раскрывает уже динамика.

Кинематические характеристики тела человека и его движений – это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: пространственные, временные и пространственно - временные. Они дают возможность сравнивать размеры тела и его звеньев, а также кинематические особенности движений у разных людей.

На занятие следует уделить внимание процедуре введения понятия материальной точки – первого идеального объекта, что обусловлено особой ролью, которую играет идеализация в процессе познания природы человеком, становления физического знания. Т.к. физические модели приближенные, их справедливость может быть гарантирована лишь в пределах применимости употребляемых абстракций. Вне этих пределов модель может стать неприемлемой и даже бессмысленной.

Движения человека можно изучать, рассматривая его тело (в зависимости от поставленных задач) как материальную точку, как одно твердое тело или как систему тел.

Тело человека рассматривают как материальную точку, когда перемещение тела намного больше, чем его размеры (если не исследуют движения частей тела и его вращение).

Тело человека приравнивают к твёрдому телу, когда можно не принимать во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформации тканей, когда важно учитывать лишь его размеры, расположение в пространстве и ориентацию (в частности, при изучении условий равновесия, вращения тела в постоянной позе).

Тело человека изучают как систему тел, когда важны ещё и особенности движений звеньев тела, влияющие на выполнение двигательного действия.

Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координаты и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точке, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека.

- В каких из перечисленных ниже случаях материальные тела можно заменить материальными точками: а) бегун на стометровой дистанции; б) бегун на дистанции с препятствиями в момент взятия барьера; в) спортсмен при прыжке с вышки в воду; г) хоккеист-защитник при выполнении силового приема; д) летчик в самолете, выполняющем «мертвую петлю»?

- В каких случаях человека удобно рассматривать как материальную точку, а в каких – нет? Приведите свои примеры.

Движения человека можно измерить, только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета), т. е. все движения рассматриваются как относительные. Система отсчета (расстояния) – условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в разные моменты времени.

В мире не существует абсолютно неподвижных тел, все тела движутся. Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны для решения данной задачи и ими можно пренебречь, – это инерциальные системы отсчета. Такие тела – Земля и. тела, связанные с нею неподвижно (дорожка, лыжня, гимнастический снаряд). В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил; значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.

В качестве примеров, позволяющих показать варианты выбора систем отсчета, можно предложить следующие рисунки: пространство комнаты, пространство города, поверхность Земли, наша Галактика и ее спутники, местная группа галактик, структура видимой части Вселенной.

Кроме упомянутой цели, показ рисунков в указанной последовательности имеет еще смысл конкретизации в сознании учащихся местоположения человека в окружающем мире. Возрастающий масштаб изображений: человек относительно окружающий его предметов; планета, на поверхности которой живет человек; звезда, около которой вращается планета; положение Солнца в Галактике, а Галактики во Вселенной – будет, по нашим предположениям, способствовать выработке у учащихся «планетарного» стиля мышления, способности ощутить себя частицей огромного целого – мира, в котором мы живем.

Другие тела движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение данной задачи, – это неинерциальные системы отсчета (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца). В таких случаях способы расчета и объяснения особенностей движений уже иные, что иногда обязательно учитывать.

- Составьте наш звездный «адрес», чтобы представителя внеземной цивилизации, получившие посланный землянами сигнал, поняли, откуда он пришел?

Понятие перемещения как вектора, связывающего начальное и конечное положения движущегося тела, можно проиллюстрировать следующими задачами.

·         Человек пробегает по беговой дорожке стадиона восемь полных кругов, длина дорожки 500 м. вычислите: а) длину дистанции, которую проделал бегун; б) перемещение бегуна при этом; в) перемещение бегуна за полкруга до конца дистанции.

·         Начертите в тетради в виде схемы маршрут, которым вы добираетесь от дома до школы. Покажите на чертеже свой путь и перемещение.

Скорость - одна из важнейших физических величин, характеризующих быстроту перемещения тела с течением времени.

Диапазон скоростей, известных человеку, очень велик. Наименьшая из скоростей 10^-11 м/с – скорость геологических изменений на поверхности Земли. Наибольшая из известных человеку скоростей 3*10⁸ м/с – скорость света в вакууме. Движение материальных тел и сигналов со скоростями, большими скорости света, запрещено теорией относительности Эйнштейна.

Рассмотрим более подробно интервал скоростей, характеризующих процессы, протекающие в человеческом организме. Нижний предел 10^-8 м/с соответствует скорости роста ногтей и волос. Скорости движения крови в капилляре и пищи в кишечнике (10^-4 м/с и 10^-2 м/с соответственно) располагаются примерно посредине этого интервала.

·         С какой скоростью идет человек, если он делает 3 шага за 2 с и длина его шага равна 67 см?

·         Путешественник идет со скоростью 5,4 км/ч, делая 5 шагов за 2 с. Какова длина его шага?

К сожалению, больших скоростей человек может достигнуть только при помощи технических средств передвижения. Например, велосипедист может перемещаться со скоростью 14 м/с, мотоциклист – 140 м/с, автомобилист – 120 м/с. Еще большей скоростью, называемой первой космической и примерно равной 8*10³ м/с, обладает космонавт, движущийся вместе с космическим кораблем по орбите вокруг Земли. Для полетов к другим планетам космический корабль с человеком на борту должен иметь вторую космическую скорость, равную 1,1*10⁴ м/с.

- Ощущает ли человек на себе действие скорости?

Еще К.Э.Циолковский пришел к выводу, что сама по себе скорость, как бы велика она ни была, при равномерном движении не должна вызывать какого-либо неблагоприятного влияния на организм, тем более, что сам человек не способен оценить скорость аппарата, который перемещает его в пространстве, если это движение равномерное прямолинейное. (И действительно, опыт показывает, что все физические процессы, протекающие внутри организма человека, точно так же, как все физические процессы, протекающие вне его, но внутри движущегося аппарата, будут протекать так, как если бы аппарат покоился.

Говоря о скорости можно легко перейти к проблеме относительности в кинематике. Для иллюстрации относительности движения и покоя, а также преобразований Галилея и закона сложения скоростей можно предложить следующие задачи.

·         Путешественник, прогуливаясь со скоростью 4,6 км/ч по палубе корабля, скорость которого относительно берега равна 9,6 км/ч, пересекает палубу поперек. Чему равна скорость путешественника относительно берега?

·          Велосипедист движется со скоростью 20 км/ч на север. При этом дует восточный ветер со скоростью 10 м/с. Чему равна кажущаяся велосипедисту скорость ветра?

Для закрепления понятий средней путевой, средней по перемещению и мгновенной скорости, для лучшего уяснения разницы между ними, а также с целью иллюстрации того факта, что человек может быть объектом изучения кинематики, рекомендуем рассмотреть с учащимися следующие задачи.

·         Человек проехал первую половину времени всего движения на автомобиле со скоростью 100 км/ч, а вторую половину времени – на велосипеде со скоростью 20 км/ч. Какова средняя скорость движения на всем пути?

·         Пешеход две трети времени своего движения шел со скоростью 3 км/ч, а оставшееся время – со скоростью 6 км/ч. Какова была его средняя скорость на всем пути?

Разобраться в ходе этой кривой можно, исследовав мгновенную скорость бегуна в процессе забега. Типичное ее поведение показано на рисунке. Бегун начинает движение из состояния покоя и разгоняется, пока не достигнет максимальной скорости. Для бегуна-мужчины время ускорения составляет приблизительно 2 с или меньше, а его максимальная скорость достигает значения около 10,5 м/с.

Рис. 4.

Средняя скорость на дистанции, однако, оказывается меньше 10,5 м/с, так как средняя скорость за период ускорения составляет половину максимальной. Поэтому средняя скорость при забеге на 200 м больше, чем при забеге на 100 м, так как бегун на большую дистанцию большую часть общего времени забега пробегает на максимальной скорости. Если бы бегун мог поддерживать свою максимальную скорость бесконечно, то средняя скорость продолжала бы расти с увеличением дистанции. Однако известно, что бегуну это не под силу и средняя скорость начинает падать при забегах на дистанции большие чем 200 м. Точную длину дистанции, на которой скорость начинает падать, определить невозможно, поскольку на дистанции между 200 м и 400 м официальный рекорд не регистрируется. По-видимому, она равна примерно 300 м. Можно предположить, что одна из причин состоит в том, что бегун начинает испытывать недостаток кислорода. 300 м - это, очевидно, та дистанция, преодолевая которую человек успевает израсходовать весь свой запас кислорода. Следовательно, для преодоления больших дистанций бегун должен ограничить себя меньшей скоростью, чтобы кислорода хватило на весь забег. Только спринтеры (бегуны на короткие дистанции) все время бегут на максимальной скорости.

На соревнованиях бегун стремится победить соперника, что диктует ему стратегию забега. Она отличается от той, что дает наилучшее время. Если же бегун старается побить рекорд, то он должен выбрать ту скорость, которая соответствует полному истощению его запаса кислорода к моменту пересечения финишной черты.

Расчетные задачи на ускорение могут быть следующими.

·         Какое ускорение развивает бегун на дистанции 100 м для достижения максимальной скорости 11,2 м/с? Время разбега равно 2 с.

·         Спринтер за 1,8 с может разогнаться из состояния покоя до максимальной скорости 10,8 м/с. Каково будет время на финише, если ему удастся сохранить эту скорость?

·         Парашют раскрывается примерно за 2 с. Пусть за это время скорость парашютиста равномерно уменьшается со скорости свободного падения 250 км/ч до нуля. Какое ускорение испытывает при этом парашютист? Выразите это ускорение через g.

3. Обсуждение содержания урока. Рекомендации по чтению дополнительной литературы.

4. Домашнее задание:  выполнить лабораторную работу № 2 «Определение средней скорости человека».

 

 

 

движение тела в поле силы тяжести.

Цель занятия: - отработать знания и умения учащихся, связанные с движением тел в поле силы тяжести.

Оборудование: иллюстрации к уроку, деревянный метр.

План урока.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Совершенствование знаний и умений.	8 – 10	Беседа.
2. Изучение нового материала.	15 – 20	Рассказ. Постановка опытов. Работа с рисунками.
3. Отработка знаний и умений, лабораторная работа.	15 – 20	Лабораторная работа. Решение задач.
4. Подведение итогов.	5-6	Выделение главного учителем.
5. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

 

Ход занятия

1. Совершенствование знаний и умений организуется в форме повторения.

- Что называют свободным падением тел? При каких условиях падение тел можно считать свободным?

- Каким видом движения является свободное падение тел?

- Зависит ли ускорение свободного падения тел от его массы?

- Напишите формулы, описывающие свободное падение тел:

А) скорость тела в любой момент времени;

Б) путь, пройденный телом к определенному моменту времени;

В) значение скорости тела после прохождения определенного пути;

Г) продолжительность свободного падения с определенной высоты.

- Результатом каких двух независимых движений является движение тела, брошенного горизонтально, брошенного под углом к горизонту?

- Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного горизонтально:

А) уравнения координаты в любой точке траектории;

Б) время падения тела;

В) дальность полета;

Г) скорость тела в произвольной точке траектории.

- Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного под углом к горизонту:

А) уравнения, описывающие движение тела в любой точке траектории;

Б) скорость тела в любой точке траектории;

В) полное время полета;

Г) максимальная высота подъема тела над точкой бросания;

Д) дальность полета тела.

2. Новый материал посвящен поведению человека в поле силы тяжести. Очевидно, что эти явления распространены в природе и технике. Рассмотрим важнейшие из них – свободное падение,

1. Свободное падение тел представляет особый интерес с антропоцентрической точки зрения, так как позволяет привлечь внимание учащихся к одной из основных характеристик окружающего мира – ускорению свободного падения. Значением ускорения свободного падения определяются высота гор и деревьев, размеры и форма тел и животных и человека и т.д. и т.п.

Рис. 5

Большое ускорение свободного падения, означающее, что тела на этой планете должны падать быстрее, потребовало бы от жителей этой планеты более быстрой и точной мускульной реакции. Случайные падения для них стали бы более опасными, вероятнее стали бы смертельные исходы и ушибы. Однако при скорости бега и дальности бросания жители этой планеты уступили бы землянам. Скорость реакции человека определяется работой нервной системы. Когда человек реагирует на очень сильное раздражение, опасное для жизни, например, когда отдергивает руку от горячей печки, осуществляется простой рефлекс, в котором головной мозг не участвует. От рецептора сигнал по нервному волокну идет в спинной мозг и затем сразу к мышце, проходя всего по трем нервным клеткам - чувствительному нейрону, вставочному нейрону в спинном мозге и двигательному нейрону. Скорость нервного импульса по отросткам нервных клеток здесь - несколько десятков м/с. Определяющим является время синаптической передачи - порядка 0,1 с.

Замечу, что мы сначала отдергиваем руку, а затем чувствуем боль. Это связано с тем, что от болевых рецепторов в мозг сигнал идет по нервным волокнам другого типа (всего выделяют три типа нервных волокон, отличающихся по механизму передачи импульса) с меньшей скоростью - 0,5 - 2 м/с.

Если речь идет о реакции человека на летящий в него кирпич, то здесь тоже рефлекторная реакция: глаз передает сигнал о быстром движении не только в отделы головного мозга, где они обрабатываются (и мы понимаем: "летит кирпич"), но и по специальным нервным путям - к мышцам, что обеспечивает быструю реакцию избегания, например, отпрыгивания.

Если речь идет о реакции при игре в теннис, то постепенное улучшение реакции связано с формированием стереотипных рефлексов, позволяющих реагировать без участия коры больших полушарий (то есть, размышления), и, главное, такие реакции осуществляются без обратной связи, то есть не происходит постоянной корректировки движения. А когда мы только учимся делать новое движение, идет сложное взаимодействие: мышце подается сигнал о действии, от нее обратно поступает сигнал о результате действия, и идет корректировка, т.е. мышца движется под постоянным контролем, на что требуется много времени. Во всех этих процессах участвуют разные области мозжечка и некоторые другие структуры головного мозга.

2. Известно, что одной из традиционных военных является задача о наведении пушки или пращи, если известны расстояние до цели и начальная снаряда.

Однако мы, наверное, мало погрешим против истины, если выскажем предположение, что проблема поражения цели, удаленной на некоторое расстояние, была одной из первых технических задач, вставших перед древним человеком. Бросок камня или другого метательного снаряда, «удлиняя» руку человека, расширял доступное ему пространство, вел к увеличению его возможностей - повышал, в конечном счете «уровень жизни» древнего человека. Оценить возможности человека в достижении цели, удаленной на расстояние, при броске камня можно на следующем примере.

·         Человек бросил камень под углом 45⁰ к горизонту с начальной скоростью 20 м/с. На какое расстояние улетит камень?

Спортивные соревнования по метанию различных снарядов: копья, молота, ядра, а также стрельба из лука – отзвук памяти об одном из древнейших видов деятельности человека.

3. Далее ученики выполняют в парах лабораторную работу № 3 «Определение времени реакции человека».

Затем приступают к решению задач

·         Какова предельно допустимая скорость приземления парашютиста, если человек может безопасно прыгать с высоты 2 м?

·         Ускорение свободного падения на Земле примерно в 6 раз больше, чем на Луне. На какую высоту взлетит тело на Луне, если на Земле его удалось подкинуть вверх на 23 м?

·         Прыгун в воду, разбегающийся со скоростью 3,2 м/с, прыгает с вершины вышки и достигает поверхности воды через 1,5 с. Какова высота вышки и на каком расстоянии от нее прыгун погружается в воду?

·         Теннисист при подаче запускает мяч с высоты 2 м над землей. На каком расстоянии от места подачи мяч ударится о землю, если его начальная скорость направлена под углом 300 к горизонту и равна 20 м/с?

·         Оцените, на сколько дальше спортсмен бросит гранату, если будет бросать ее с разбега.

·         Спортсмен, совершающий прыжок в длину, отрывается от земли под углом 30⁰ и пролетает 8,9 м. Оцените скорость спортсмена в момент толчка.

·         Оцените, как далеко может прыгнуть в длину с места человек.

4. Подводятся итоги работы, заслушиваются отчеты тех учащихся, которые выполняли наиболее сложные задачи.

5. Домашнее задание: 1) Рассмотрите таблицу и пополните ее недостающими данными.

 

законы ньютона в жизни человека.

Цель занятия: - сформировать представление о роли законов Ньютона в жизни человека.

Оборудование: иллюстрации к уроку, ручной динамометр сил.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Изучение нового материала.	20 – 25	Рассказ с элементами беседы.
2. Углубление и отработка знаний и умений.	15 – 20	Решение задач. Ответы на вопросы. Лабораторная работа.
3. Подведение итогов.	5-6	Сообщение учителя.
4. Домашнее задание.	1	Составление синквейна.

 

Ход занятия

1. Изучение нового материала организуется в форме школьной лекции. Рассматриваются законы Ньютона и их применение к человеческому организму.

Учитель: Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменений), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел), силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности биомеханических систем).

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона: "Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не изменят это состояние". Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменят силы.

─       Как формулируется первый закон Ньютона?

─       Какие системы отсчета являются инерциальными и не инерциальными?

─       В чем состоит явление инерции?

Для изучения первого закона Ньютона целесообразно обратиться к мысленному эксперименту и жизненному опыту учащихся. Ниже приводятся тексты задач и вопросов, иллюстрирующих содержание первого закона Ньютона.

·         Укажите среди названных движений те, которые происходят по инерции:

а) полет летающего лыжника после отделения от трамплина;

б) Движение водителя автомобиля, движущегося равномерно и прямолинейно;

в) движение космического аппарата по орбите вокруг планеты;

г) движение парашютиста во время затяжного прыжка;

д) движение пассажира автобуса после резкой остановки последнего.

·         Почему опасно выходить из машины на ходу? В каком направлении вы можете упасть?

·         Почему ребенок в коляске откидывается назад, когда вы резко толкаете  ее?

·         Бывают скоростные виражи автомобиля, при которых пассажирам приходится изменять положение своего тела в кресле. В чем причина ускорения в каждом случае?

Типичным случаем использования инерции в живой природе являются прыжки: тело животного находится под действием силы, развиваемой мышцами соответствующих конечностей, лишь в начале прыжка, пока ноги не отделились от земли. В дальнейшем никакого двигательного усилия уже не нужно: тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и частично силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает.

Изменение движений происходит под действием сил. В этом и заключен смысл второй части первого закона Ньютона об изменении движений под действием приложенных сил. Иначе говоря, сила не причина движения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движений.

Сила – это мера механического действия одного тела на другое. Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой:

Измерение силы, так же как и массы, основано на втором законе Ньютона. Сила, приложенная к данному телу, вызывает его ускорение. Источником силы служит другое тело; следовательно, взаимодействуют два тела. Таким образом, имеется "действие" второго тела на первое и "противодействие" первого тела, приложенное ко второму. Поскольку действие и противодействие приложены к разным телам, их нельзя складывать, заменять равнодействующей.

─       Что такое сила и чем она характеризуется?

─       Какую наибольшую силу человек может создать своим телом?

Человек может приложить силу, по меньшей мере, равную своему весу, навалившись, например, на один конец рычага и т.п. Приложенная в этом случае сила будет равна mg, что составляет при средней массе 70 кг примерно 700 Н. Растягивая динамометр двумя руками, человек может развить силу, равную 100 Н. Упираясь ногами в петлю, он сможет тянуть веревку вверх с силой около 1000 Н. Развиваемая при этом сила называется становой.

─       Каковы способы измерения силы?

Одним из вариантов устройства для измерения сил, развиваемых человеком, может быть динамометр, изготовленный из дверной пружины, а лучше двух, соединенных параллельно, укрепленных на двух дюралюминиевых трубках, и четырех ручек. Встав ногами на нижнюю трубку, можно растягивать пружину за верхнюю трубку с ручками. Перед измерениями устройство необходимо проградуировать.

Значение силы, развиваемую человеком можно увеличить, если человек разовьет большую, чем собственный вес, силу, если будет двигаться с ускорением. Человек развивает силы, превышающие его вес в несколько раз, находясь в ускоренно движущемся лифте, при толчках, ударах, приземлениях после толчков.

─       Как формулируется второй закон Ньютона?

─       Как движется тело, к которому приложена сила, постоянная по модулю и по направлению?

─       Как направлено ускорение тела, вызванное действующей на него силой?

─       Если на тело действует несколько сил, как определяется равнодействующая этих сил?

«Источником» силы в теле человека и животных являются мышцы. В теле человека их насчитывается около 600; вместе они составляют до 40 % массы человеческого тела. Если бы все мышцы человека напряглись, они бы вызвали силу давления, равную примерно 250 кН. Оказывается, что 60% кислорода, поступающего в организм человека, потребляют именно мышцы. Оказывается, коэффициент полезного действия мышц человека равен 20%, т.е. 80 % уходит на тепловые потери! Мышечная ткань обладает свойством сокращаться и растягиваться, ей присущи эластичность и упругость, т.е. способность восстанавливать свою форму после прекращения действия деформирующего усилия. При этом упругие характеристики мышечной ткани выше, чем соответствующие показатели многих искусственных материалов. Интересно, что мышцы устроены одинаково у всех животных (в том числе и человека). Развитые мышцы рельефно выделяются на теле человека. Размеры их можно увеличить тренировками и специальным питанием. Меняются размеры мышц и в течение жизни человека. В старости толщина мышечных пучков уменьшается, они становятся менее упругими. Активный образ жизни может замедлить процесс атрофии мышц.

Хотя мышцы обладают высокими упругими свойствами, но эти свойства по-разному проявляются в активном состоянии и покое. Поэтому, чтобы мышцы работали продолжительно и эффективно, к ним следует относиться бережно. Прежде чем заставлять их работать, например, выполнять физические упражнения, необходимо сделать разминку. В противном случае возможны серьезные травмы мышц, вплоть до их разрыва.

Мышцы обеспечивают высокую подвижность человека и животных. Подвижностью называется свойство организма быстро переходить от покоя к движению и обратно.

По третьему закону Ньютона – "Действию всегда существует равное и противоположно направленное противодействие" – действия двух тел друг на друга всегда равны и противоположны по направлению. Надо отчетливо понимать, что этот закон справедлив только для инерциальных систем отсчета. При применении неинерциальных систем отсчета помимо взаимодействия тел учитывают еще "фиктивные" силы инерции. Хотя чаще всего говорят про силу и результат ее действия, это применимо только к простейшему поступательному движению тела.

─        Запишите и сформулируйте третий закон Ньютона.

─       Приведите примеры проявления третьего закона Ньютона.

─       Человек тянет санки с некоторой силой. Согласно третьему закону Ньютона санки действуют на человека с равной по модулю и противоположно направленной силой. Почему санки движутся: ведь сумма этих сил равна нулю?

2. Далее учащимся предлагается выполнить лабораторную работу № 4: «Градуировка динамометра и определение становой силы человека». Работу можно дополнить измерениями с помощью ручного динамометра сил, развиваемых руками учащихся. (Среднее значение силы мышц правой руки мальчика в возрасте 15 лет равно 430 Н, левой – 380 Н. У девочек соответственно сила мышц 300 Н и 280 Н.)

Есть определенная зависимость между массой тела и мышечной силой. Обычно чем больше мышечная масса, тем больше сила: . Динамометрия руки в среднем составляет 65 – 80 % массы тела у мужчин и 48 – 50 % у женщин.

Малая сила спины – меньше 175 % своего веса, сила ниже средней – от 175 до 190 %, средняя сила – от 190 до 210%, сила выше средней – от 210 до 225%, большая сила – свыше 225% своего веса.

Мышечная сила рук характеризует степень развития мускулатуры; измеряется она ручным динамометром. Производят 2 – 3 измерения, записывают наибольший показатель. Показатель зависит от возраста, пола и вида спорта, которым занимается обследуемый.

·         Определите среднюю силу, с которой спортсмен действует на ядро массой 7 кг, если ядро ускоряется на пути длиной 2,7 м, а сообщаемая ему начальная скорость равна 13 м/с.

·         При автомобильной катастрофе человек имеет все шансы выжить, если тормозящее ускорение не превышает 30g. Вычислите силу, которая действует на человека массой 70 кг и создает такое ускорение. Какое расстояние при этом проходит автомобиль до полной остановки, если его скорость была 72 км/ч?

·         Согласно упрощенной модели сердца млекопитающего при каждом сокращении около 20 г крови ускоряется  от 0,24 до 0,35 м/с за 0,1 с. Какая при этом сила развивается сердечной мышцей?

·         Сто человек делятся на две команды по перетягиванию каната. Какой будет сила натяжения каната, если каждый человек в среднем может приложить силу 200 Н?

·         Каким должно быть натяжение проволоки в корригирующем зубном протезе, чтобы на выделенный зуб действовала в указанном направлении результирующая сила 0,6 Н?

·         Гимнаст делает на перекладине оборот «солнце». С какой силой действует он на перекладину в момент, когда проходит нижнее положение?

─       Проводятся соревнования по перетягиванию каната. Силы, приложенные со стороны обеих команд к канату, равны по модулю и противоположно направлены. Почему же тогда бывают победители в этом соревнований?

3. Обсуждение содержания урока.

4. Домашнее задание:  Составить синквейн к слову «Мышцы». Если следовать правилам, может получиться, например, такой синквейн:

 

Гравитация и человек

Цель: - выяснить физиологическое понятие веса и невесомости,

- познакомить учащихся со способами создания искусственной невесомости и искусственной гравитации,

- показать значение силы тяжести для формирования внешнего облика планеты и живых существ.

Оборудование: таблицы на каждую группу “Физические характеристики тел Солнечной системы”; установка для демонстрации явления невесомости..

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение ранее изученного материала.	10 – 12	Ответы на вопросы. Работа в группах
2. Изучение нового материала.	20 – 25	Рассказ с элементами беседы. Работа с дополнительной литературой в группах.
3. Формирование знаний и умений.	15 - 20	Коллективное и индивидуальное решение задач. Ответы на вопросы.
4. Подведение итогов урока.	2 – 3	Заключение учителя.
5. Домашнее задание.	1	Сообщение учителя.

 

Ход занятия

1. Класс делится на несколько групп, которые получают задания найти ответы на вопросы, приведенные в «Таблице «толстых» и «тонких» вопросов», используя дополнительную литературу и материал учебника.

Таблица " толстых " и " тонких " вопросов

 

2. Введение учителя: Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, сыграло важнейшую роль в эволюции человека и наземных животных. Однако гравитационная физиология - наука о месте гравитационных сил и взаимодействий в структурно-функциональной организации живых систем - возникла не так давно, всего полвека назад. Чтобы понять, до какой степени живые организмы зависят от силы земного притяжения, потребовалось это притяжение преодолеть, то есть выйти в космос.

Притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее гравитация "учтена" практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. Но чтобы человек наконец-то обратил на гравитацию внимание, потребовался прыжок в космос, туда, где сила тяжести практически исчезает. Конечно, догадку о невесомости высказал еще Жюль Верн, а идею орбитальной станции предложил Циолковский, но все же только после первых запусков на орбиту животных и человека люди впервые по-настоящему осознали, насколько сильно функционирование живого организма зависит от величины гравитационных сил.

Тяготение – самая великая сила. Она тысячелетиями не позволяла строить человеку башни многокилометровой высоты: тяжесть верхних этажей стремилась раздавить нижние. Чуть просчитывались инженеры – и с грохотом обрушивались мосты через широкие реки. Человек завидовал птицам, но лишь в мечтах взмывал в небо. Между тем жизнь людей тесно связана с гравитацией и во многом обязана этой силе. Тема сегодняшнего урока “Гравитация и человек”.

Вспомним:

─       Оцените силу гравитационного взаимодействия двух людей, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга.

Физиологическое ощущение веса связано с тем, насколько трудно поднять руку или голову: давление внутренних органов человека на скелет пропорционально весу человека. В физиологии вес определяют как величину, пропорциональную силе, действующей со стороны жидкости в полукружных каналах внутреннего уха человека на нервные окончания. (связать с формулой Р = mg, если тело движется с ускорением, то Р – увеличивается или уменьшается, перегрузки – при взлете самолета, боль в ушах). А уменьшение веса тоже связано с ускорением, даже есть понятие невесомость. По закону всемирного тяготения все тела на Земле испытывают силу ее притяжения.

Сила тяжести тела – это мера его притяжения к Земле (с учетом влияния вращения Земли). Сила тяжести зависит от масс Земли и притягиваемого ею тела, а также от расстояния между ними. Расстояние от центра Земли до ее поверхности на полюсе меньше (6357 км), а на экваторе больше (6378 км), поэтому сила тяготения на экваторе на 0,2% меньше, чем на полюсах.

Так как Земля вращается вокруг своей оси, тела на ее поверхности испытывают действие центробежной силы инерции (фиктивной) в неинерционной (вращающейся) системе отсчета. Она больше всего на экваторе и уменьшает там силу тяготения еще на 0,3% (по сравнению с положением на полюсах). Поэтому сила тяжести равна геометрической сумме сил тяготения (гравитационной) и центробежной (инерционной).

На каждое звено и на все тело человека действуют силы тяжести как внешние силы, вызванные притяжением и вращением Земли. Равнодействующая параллельных сил тяжести тела приложена к его центру тяжести.

Задание 1 группе

Рассказать о невесомости. Показать невесомость. Бывает ли человек в состоянии невесомости в обыденной жизни?

текст

Состояние, при котором вес тела равен нулю, но сила тяжести продолжает на тело действовать, называется невесомостью. Необходимо отметить, что потеря веса не потеря массы. Инертность тел при невесомости сохраняется, и последствия столкновений при невесомости могут быть такими же серьезными, как и в условиях на поверхности Земли. Человек в повседневной жизни часто встречается с состоянием невесомости: при прыжках и беге, при движении по криволинейным траекториям, плоскости которых перпендикулярны поверхности Земли. Когда тело покоится на опоре (или подвешено), сила тяжести, приложенная к телу, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору (нижнюю или верхнюю) измеряется весом тела. Вес тела (статический) – это мера воздействия тела в покое на покоящуюся же опору (или подвес), мешающую его падению. Значит, сила тяжести и вес тела не одна и та же сила. Вес всего тела человека приложен не к нему самому, а к его опоре (сила тяжести – дистантная, вес – контактная сила). В фазе полета в беге веса нет, это случай невесомости.

А вот космонавты (на космических орбитальных станциях находятся в состоянии невесомости и перед полетом проходят специальную подготовку).

Задание 2 группе

А как создать невесомость на Земле?

текст

На практике в земных условиях состояние невесомости наблюдают:

─       в башнях невесомости (высоких сооружениях, внутри которых свободно падают контейнеры с исследовательской аппаратурой);

─       в самолетах, движущихся по особым траекториям (“горкам Кеплера”);

─       с помощью ракет-зондов, которые поднимаются в разреженные слои атмосферы, после чего их двигатели отключаются, и они переходят в режим свободного падения.

Жизнь, как известно, зародилась в океане, и первые позвоночные, заселившие толщу воды, находились в состоянии, которое можно назвать псевдоневесомостью. Более точное определение для этих условий - безопорность. И надо сказать, рыбы и другие морские позвоночные животные превосходно адаптированы к существованию в среде без опоры, у них достаточно хорошо развиты системы движения и ориентации в трехмерном пространстве. Гравитационные проблемы возникли с выходом животных на сушу. Надо было не только поддерживать положение тела в пространстве (ведь здесь уже нет выталкивающей архимедовой силы), но и передвигаться, добывать пропитание. Ползание на брюхе или прыжки не самый удобный способ передвижения, доступный к тому же только относительно мелким животным. На земле крупным животным пришлось приподнимать тело над землей, и с этого момента заработали все закономерности гравитационной физиологии.

Нужны были механизмы, противостоящие силе тяжести, поэтому эволюция и те силы, которые ею управляли, встроили гравитационный фактор почти в каждую систему. Начала формироваться не только усиленная костно-мышечная система с развитыми конечностями, удерживающая тело в пространстве над землей в покое и в движении, но и система обеспечения всех частей тела кислородом и питательными веществами - мощный сердечный насос, способный гнать кровь вверх. А когда предки человека встали на ноги, также потребовалась перестройка механизмов нервной системы, управляющих движением конечностей.

На Земле состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Довольно много экспериментов с параболическими полетами проводят американские ученые, однако состояние невесомости при этом длится 40 секунд - ничтожно мало по сравнению даже с одним витком космического корабля вокруг Земли.

Гораздо более удобными оказались экспериментальные модели, которые имитируют некоторые эффекты уменьшенной гравитации. Одна из таких замечательных моделей, придуманная в нашей стране еще в 1973 году, - иммерсия, или сухое погружение. Бассейн с водой покрывают свободно расположенной водонепроницаемой пленкой, человек ложится на эту пленку, но с водой при этом не соприкасается, вода смыкается над человеком в пленке, и наружу торчит одна голова. Такая модель как раз и обеспечивает ту самую безопорность, которая существует в океане.

Изучение гравитационных воздействий не ограничивается микрогравитацией. Серьезные последствия, причем проявляющиеся сразу, оказывает гипергравитация, или перегрузка. Такие состояния возникают, например, при взлете и посадке самолетов и космических аппаратов, а моделируют их и изучают с помощью центрифуги.

Рис. 6. Иммерсионная модель (погружение в воду через пленку или в гидрокостюме) позволяет имитировать многие эффекты невесомости.

 

Своеобразной моделью состояния невесомости может служить определенное положение тела человека в постели, при котором верхняя часть тела располагается ниже горизонтальной линии, - так называемое антиортостатическое положение. В специально проводимых опытах угол наклона тела в положении “вниз головой” менялся от –4 до -30?. При этом оказалось, что, чем больше наклон, тем сильнее проявляется действие “земной невесомости”. Исследователи пришли к выводу, что 15-минутное пребывание человека под углом -30° можно использовать как тест на выносливость к невесомости.

Задание 3 группе

А как влияет невесомость на организм человека?

текст

Как организм узнает, что гравитационное поле такое, а не другое, что оно есть или что его нет, что изменилось его направление?

У человека важнейшая гравитационно-чувствительная система - сердечно-сосудистая. Кровь под действием силы тяжести стремится опуститься вниз, но в организме выработались определенные системы противодействия этому фактору. В том числе барорецепторная система, регулирующая давление крови в верхней части тела, в каротидных артериях, которые снабжают мозг. Барорецепторы - это клетки, нервные окончания которых реагируют на давление крови. Например, если давление снижается, они включают систему поддержания давления. Но если падение давления происходит слишком резко и барорецепторы не успевают срабатывать, наступает потеря сознания. Эта ситуация хорошо знакома многим людям. Человек просыпается утром, встает - кружится голова. Чтобы бороться с такой ситуацией, нужно понять, как организовано поддержание ортостатической функции. В последние годы стало ясно, что помимо барорецепторов существует еще один важнейший механизм регуляции давления крови - так называемый мышечный насос. Раньше ему не придавали большого значения, т.к. вены, по которым кровь поднимается от нижней части тела к сердцу, не имеют такого гладкомышечного слоя, как артерии, то есть почти не обладают собственным насосным действием. Так как же происходит проталкивание крови? В обычных условиях у человека постоянно напряжены мышцы конечностей, брюшного пресса. Задача удерживать тело и передвигаться требует от них постоянного тонуса, который позволяет проталкивать кровь чисто механически. Если тонус снижен, проталкивание крови резко ухудшается.

Но от чего зависит этот мышечный тонус? Самая гравитационно-чувствительная мышца человека – камбаловидная, которая одна "тянет" 70 кг веса человека, а когда он бегает и прыгает - еще больше. Американцы подсчитали, что на эту мышцу при динамических нагрузках приходится до 10 весов тела, конечно, однократно, в момент толчка. В невесомости или в экспериментах, ее моделирующих, тонус камбаловидной мышцы резко падает. Как мышца узнает о том, что уровень гравитации стал другим? Конечно, поступают какие-то сигналы от нервной системы, но и в самой мышечной ткани, по-видимому, есть клеточные и молекулярные датчики.

То, что тело человека состоит на 70% из воды, давно известно, но вода эта, в соответствии с принятой в физиологии моделью, находится в разных секторах: внутриклеточная жидкость, внеклеточная жидкость и сосудистая (кровь). Эволюция добилась того, чтобы не только состав, но и объем жидкости организма поддерживался постоянным, поскольку это дает человеку наибольшую свободу в приспособлении к различным условиям внешней среды.

До того как человек полетел в космос, ученые не подозревали, что функция поддержания состава и объема жидкости зависит от гравитации. Но оказывается, что на снижение силы тяжести организм реагирует направленными усилиями по уменьшению объема внеклеточной жидкости. Объем внутрисосудистой жидкости тоже уменьшается. Если бы человеку предстояло всю оставшуюся жизнь провести на борту космической станции, то эту реакцию следовало бы назвать адаптивной: в невесомости с пониженным объемом жидкости легче жить и работать. Но при возвращении на Землю после продолжительных космических полетов возникает состояние, при котором сердце не может нормально снабжать кровью мозг. И дело не только в понижении мышечного тонуса, но и в том, что у сердечно-сосудистой системы просто не хватает объема крови, чтобы заполнить все сосудистое русло.

Изучение костной системы - один из важнейших разделов гравитационной физиологии. Отсутствие нагрузок на кости в условиях микрогравитации приводит к понижению минеральной плотности кости, что очень похоже на остеопороз. Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. В нижних конечностях процесс потери кальция выражен сильнее, чем в верхних, а в черепе кальций даже откладывается. Предотвратить потерю кальция - насущная задача, поскольку космонавт, возвращаясь на Землю, испытывает перегрузки посадки. Если кость потеряла прочность, перегрузка может привести к компрессионному перелому позвонков или даже к перелому трубчатых костей.

Задание 4 группе.

Рассказать о перегрузке. А как влияет перегрузка на организм человека?

текст

В отличие от скорости, значение которой не ощущается человеком, ускорение - изменение скорости - может влиять на человека. Возрастание ускорения по сравнению с ускорением свободного падения g, которое человек испытывает, находясь на поверхности Земли, называется перегрузкой. Перегрузки, возникающие при движении с большими ускорениями, опасны для человека.

При перегрузке тело человека как бы утяжеляется, каждое движение требует больших усилий. Дело в том, что организм человека состоит из разнородных тканей, в нем есть полости, по упругим сосудам пульсирует кровь. Под воздействием ускорения внутренние органы начинают смещаться, кровь приливает к ногам или голове (в зависимости от направления ускорения). При ускорении 14 — 15 g кровь становится как бы тяжелее ртути и сердце с трудом проталкивает ее по сосудам.

Обычно различают четыре направления воздействия перегрузок на человека: голова — таз, таз — голова, грудь — спина и спина — грудь.

Если перегрузка действует в направлении «голова — таз», все наши внутренние органы, которые не закреплены «жестко», стремятся опуститься как можно ниже, насколько позволяет строение организма, кровь тоже устремляется вниз — от головы, сердца и легких к органам брюшной полости и ногам, лицо втягивается, как бы худеет, а объем голени, наоборот, намного увеличивается. Мозг обескровливается. Человек теряет сознание. Действие перегрузки от ног к голове вызывает прилив крови к верхней части тела, кровотечение из носа, кровоизлияние в сосудах глаз. Наиболее безболезненно переносятся перегрузки, действующие поперек человеческого тела, однако и они при большой величине ускорения или значительной длительности воздействия вызывают серьезные нарушения жизнедеятельности организма.

Как показали проведенные за рубежом опыты, при обычном положении в кресле самолета тренированные летчики удовлетворительно переносят в течение одной-двух секунд семи-восьми-кратные перегрузки; до 5 единиц — в течение 15 — 20 секунд. Мгновенные, так называемые ударные перегрузки, которые длятся не более одной десятой доли секунды, переносятся даже, когда они достигают 20 единиц. Человек в этот момент как бы весит 1,5 тонны! А когда перегрузки действуют в направлении «грудь — спина», можно выдержать мгновенное действие ускорений 40g! Не так уж непрочен человек, как может показаться на первый взгляд!

Рис.7.  Безопасные для человека перегрузки и время их действия.

 

При ускорении 5g, направленном вдоль тела в направлении ноги - голова, кровь утяжеляется настолько, что сердце вообще не может гнать ее к голове. Человек испытывает ощущение «черной пелены» перед глазами и теряет сознание. Если ускорение направлено в противоположную сторону (голова - ноги), перед глазами встает «красная пелена» и наступает потеря сознания в результате прилива крови к голове. Уже при ускорении, несколько большем g, у человека нарушается зрение и появляются галлюцинации. Определенный вклад в ощущение человеком перегрузки дает увеличение давления одних внутренних органов тела на другие.

Известно, что ускорения, превышающие 10g, человек может переносить в течение 1 с. Возникновение перегрузок обычно связывают со стартами космических кораблей, когда космонавт во время работы двигателей (порядка 5 с) испытывает перегрузки, равные 7-9.

Большие перегрузки (до 10) возникают при раскрытии парашюта, управляемом спуске космического аппарата, резком маневрировании на скоростном самолете, автомобильной аварии.

Таблица 2.

Перегрузки, испытываемые человеком в различных ситуациях

У пассажира в самолете	до 1.5
У парашютиста при скорости 30 м/с 40 м/с 50 м/с	1.8 3.3 5.2
У катапультирующегося летчика	до 16
Кратковременная перегрузка, которую тренированный человек выдерживает в направлении от спины к груди и от груди к спине от головы к ногам от ног к голове	до 30 до 20 до 8
Длительная перегрузка на пределе выносливости человека	8
У космонавта при старте корабля "Восток"	8-10
У космонавта при старте корабля "Союз"	3-4

Методы борьбы с опасными перегрузками предложил К.Э.Циолковский. Один из них - помещение космонавта при старте и финише ракеты в жидкость с плотностью, равной плотности тела человека. Второй способ, подтвержденный многочисленными опытами и применяемый в современной космонавтике, заключается в расположении тел космонавтов так, чтобы ускорение было направлено перпендикулярно длинной оси человеческого тела. Последнее делается для того, чтобы, уменьшая размеры подвергнутых деформации кровеносных сосудов, свести к минимуму нарушение условий кровообращения. К идее о горизонтальном расположении тела человека при старте ракеты К.Э. Циолковский пришел из наблюдений. Известно, что человек в случае ухудшения состояния здоровья или при сильном утомлении стремится лечь, так как в этом положении ему легче переносить даже обычную перегрузку – земное тяготение. В горизонтальном положении, как видно из рисунка, тренированные люди могут переносить без последствий для здоровья перегрузки до 30.

Также человек испытывает большие перегрузки при авариях. В результате многочисленных экспериментов на манекенах и изучение статистики несчастных случаев на дорогах удалось выяснить, что реальные шансы выжить имеют те автомобилисты, чье ускорение при аварии не превышает 30g.

Задание 5 группе.

Как создать искусственное поле тяготения?

текст

Самый простой способ создания искусственного поля тяготения – сообщить космической станции вращательное движение. При этом обитателями, живущими на внешней стороне оболочки станции, сила будет восприниматься как нормальное земное тяготение. При выборе формы и размеров учитывать направление искусственной силы тяжести, факт ее обратно пропорциональной зависимости от расстояния до оси вращения и прямую зависимость от квадрата угловой скорости вращения. Рациональное сочетание этих параметров позволяет рассчитывать компактные сооружения, характеризующиеся достаточно большим значением центростремительного ускорения. Следует однако заметить, что существуют некоторые ограничения на скорости вращения станций.

Согласно оценкам медиков, при частоте вращения 5 об/мин у человека, при поворотах головы начинаются неприятные ощущения в связи с расстройством вестибулярного аппарата. Хотя размеры реально существующих станций невелики по сравнению с рассчитанными, разработаны проекты космических станций для поселения больших количеств людей. Например, известен проект “стенфордского тора” - возможного поселения для 10 тыс. человек, движущегося по орбите между Землей и Луной. Проект представляет собой вращающийся тор диаметром 1,5 км. Над тором должно располагаться гигантское зеркало для отражения солнечного света в жилые помещения .

Существует идея, высказанная американским физиком Д.Крисуэллом, о проведении Олимпийских игр 2008 года на орбитальной станции. На станции должны разместиться 10 тыс. человек. Предполагается, что вынесение спортивных соревнований на орбиту, привнесет некоторое разнообразие и увеличит интерес к соревнованиям, и что появятся новые виды спорта. И, хотя стоимость создания такого “космического стадиона” оценивается в 1,5 триллиона долларов, что в три раза больше суммы, затраченной человечеством на космические исследования, многие поддерживают эту идею, считая, что лучше на нее тратить деньги, чем “развешивать” на околоземных орбитах боевые станции СОИ.

Можно существенно удешевить станцию, соединив две вращающиеся части станции тросом достаточной длины. С помощью вращающейся с большой скоростью кабины (центрифуги) можно создать значительные перегрузки. С центрифугами связаны тренировки летчиков и космонавтов на выносливость к перегрузкам.

Есть еще очень важный аспект, связанный с гравитационным притяжением. Масса космического объекта, а, следовательно, сила тяжести и ускорение свободного падения, определяют как условия жизни живых существ на планете, так и формирует облик самой планеты.

Для Земли g 9,82 . Благодаря этому Земля удерживает атмосферу (воздушную оболочку).

Если g < g Земли, то на планете резкие очертания гор, разряженная атмосфера, незащищенность живых организмов от ультрафиолетового излучения и падения метеоритов.

Если g > g Земли, то плотность атмосферы больше, наблюдается парниковый эффект, рельеф более сглаженный.

3. Задание по группам: используя таблицу 3, рассчитать ускорение свободного падения на одной из планет Солнечной системы и спрогнозировать внешний облик планеты. (Каждая группа работает с одной из планет).

Таблица 3.

Физические характеристики тел Солнечной системы

При обсуждении расчетного задания, учащиеся записывают в свою таблицу результаты своих групп. А затем обсуждается вопрос:

- Какая из планет Солнечной системы по гравитационным параметрам более близка к Земле? (Венера. Но, на Венере несколько другой состав атмосферы, чем на Земле).

4. Заключение. Гравитационные силы существуют всегда, действуют на все физические тела, обладающие массой (живые и неживые) играют огромную роль в формировании космических объектов, влияют на организм человека и животных.

5.  Домашнее задание: решение задач

·         Автомобиль, движущийся со скоростью 50 км/ч, врезается в дерево. Передняя часть автомобиля деформируется, а тело водителя, не пристегнутого ремнями безопасности, перемещается на 0,7 м и останавливается. Определите среднее ускорение водителя во время этого столкновения. Ответ выразите в доля g. Какое ускорение испытывает водитель при скорости движения 100 км/ч?

·         На 50 – м этаже 100 – этажного здания в лифт входит человек весом 600 Н и становится на весы. Когда лифт начинает двигаться, человек замечает, что в течение 5 с весы показывают 720 Н, а затем в течение 20 с – 600 Н, следующие 5 с – 480 Н, после чего лифт останавливается на одном из концов шахты. Где находился лифт: вверху или внизу? Какова высота здания?

·         К каким последствиям, на ваш  взгляд, для жизни человека привело бы изменение величины G?

 

Прямохождение и опорно-двигательная система человека.

Цель занятия: - познакомить учащихся с физическими аспектами прямохождения и работы опорно-двигательной системы;

- выявление основных факторов, влияющих на здоровье школьника;

- развитие умений и навыков практического использования знаний для совершенствования физического развития; пропаганда здорового образа жизни.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

 

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Изучение нового материала.	20 – 25	Рассказ учителя и учащихся с элементами беседы. Демонстрация таблиц и схем.
2. Углубление и отработка знаний и умений.	15 – 20	Коллективное решение задач. Ответы на вопросы.
3. Подведение итогов.	5-6	Выделение главного учителем.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Приветствие учащихся, проверка готовности к уроку.

2. Здоровье человека – это проблема всей планеты, в том числе нашего края и России в целом. Большое значение в ее решении имеет пропаганда здорового образа жизни.

Здоровье – залог счастливой жизни каждого человека. Его не купишь ни за какие деньги – здоровье надо хранить, заботиться о нем смолоду. Учитесь быть здоровыми и научите этому других.

Обратимся к результатам исследования ребят, которые изучали статистику заболеваний учащихся школы за последние 3 года. Остановимся сегодня на статистике заболеваний опорно-двигательного аппарата (см. диаграмму).

Рис. 7

Диаграмма показывает, что у детей наблюдаются нарушения осанки (НО), в основном сколиотического типа, и плоскостопие. С возрастом доля детей с нарушениями осанки увеличивается. Причины нарушений осанки: перенесенные в детстве болезни, слабое зрение, неправильные позы во время работы и отдыха. Нарушение осанки отрицательно сказывается на работе сердца, легких, обмене веществ, а также на настроении и моральном состоянии ребенка.

При подготовке к занятию несколько учащихся провели исследовательскую работу для выявления основных факторов, влияющих на здоровье школьника, и путей укрепления здоровья. Сейчас мы заслушаем их сообщения.

С точки зрения историко-эволюционного процесса Прямохождение, безусловно, было перспективным видом передвижения. Оно способствовало увеличению обзора местности, создавало потенциальную возможность взять в руки: пищу или орудие.

Однако человеку пришлось дорого заплатить за освобождение своих передних конечностей, за возможность трудиться в большей степени, чем любые живые существа до него. Ходьба в вертикальном положении обуславливала ряд серьезных механических недостатков организма человека.

Сегодня - урок обобщения знаний по этой теме. Его цель - убедиться в том, что данная система действительно является опорой и защитой нашего организма в силу своей прочности. Все мы - плод эволюции. Природа миллионы лет экспериментировала, прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас. Поражает исключительная целесообразность устройства нашей опорно-двигательной системы. Форма костей и суставов, как мы выяснили, обеспечивает человеку наиболее выгодные условия для движения. Еще сложнее строение и взаимоотношения мышц - двигателей нашего тела.

Впервые человек стал задумываться о своём происхождении в доисторические времена. Каждое племя имело свой тотем – священное животное (птица, олень, медведь и т.д.), от которого, как считалось, оно вело свой род. Очевидно, что на заре своей истории человек  не видел ничего задорного в том, что произошел от животных. Но в христианских странах вплоть до 20-в. подобные предположения считались абсолютно не допустимыми.

Противники эволюционных идей даже создали особое учение – креационизм, научно обосновавшее акт божественного творения.

Как же вопрос о происхождении человека решается современной наукой? Человек разумный относится к семейству людей, подотряду человекообразных обезьян отряда приматов. Первые приматы появились около 70 млн. лет назад.

Далее проводится сравнение скелета человека и млекопитающих животных. Основные отделы скелета, особенности строения в связи с функциями (индивидуальный устный опрос учеников по моделям скелетов млекопитающих животных). Особенности скелета человека, связанные с прямохождением, трудовой деятельностью, развитием мозга. Фронтальная беседа с использованием схем и таблиц.

Рис. 8.Сравнительная анатомия

А - Особенности анатомии человека

а - череп с короткой лицевой частью и большой округлой мозговой коробкой, вертикально сбалансированный на позвоночнике.

б - Небольшие челюсти, маленькие зубы, покрытые толстым слоем эмали, коренные зубы с низкой коронкой; зубная дуга, имеющая форму параболы.

в - длинные пальцы руки, позволяющие точно захватывать мелкие предметы.

г - короткая поясница.

д - широкий короткий таз.

е - ноги длиннее рук.

ж - большой палец ноги расположен параллельно прочим пальцам и помогает во время ходьбы переносить вес тела.

Б - Особенности анатомии гориллы

а - череп с выступающей вперед удлиненной лицевой частью расположен спереди от спинного хребра и имеет костистый гребень, поддерживающий мощную челюсть и мышцы спины.

б - массивные челюсти с большими клыками, крупными коренными зубами, которые имеют высокие коронки и тонкий слой эмали, и с зубными дугами в форме латинской буквы U.

в - короткий большой палец и длинные прочие пальцы рук.

г - поясница сравнительно более длиннее, чем у человека.

д - удлиненный таз.

е - ноги короче рук.

ж - отставленный в сторону большой палец ступни приспособлен для хватания.

 

Данные сравнительной эмбриологии и анатомии ясно показывают черты сходства с животными в развитии и строении тела человека. Как и у приматов, внутренний скелет человека представлен хордой, присутствует скелет парных свободных конечностей, передние конечности хватательного типа. Однако только человеку присуще истинное прямохождение. В силу вертикального хождения скелет человека имеет широкий таз, плоскую грудную клетку, резкие изгибы позвоночника, сводчатую стопу. Большой палец нижних конечностей у людей приблизился к остальным и принял на себя функцию опоры. Гибкая кисть руки – органа труда – способна выполнять разнообразные и высокоточные движения.

Рис. 9. Походка А - человека. Расширяющийся таз, бедренная кость под углом внутрь, прочный коленный сустав и стопа в виде "платформы" - все это способствует ровной ходьбе на двух ногах.

Б - шимпанзе. Удлиненный таз, бедренная кость под углом наружу, форма коленного сустава и оттопыренные большие пальцы позволяют ходить на четвереньках или ковылять вразвалку на полусогнутых задних ногах.

а – таз

б - бедренная кость

в - коленный сустав

г - ступня

Рис. 10. Наклон таза: Сокращения средней и малой ягодичных мышц человека, изменяя наклон таза и положение ног, помогают удерживать тело в вертикальном положении.

а - Средняя ягодичная мышца

б - Малая ягодичная мышца

Прямохождение резко повысило требования к механической прочности опорно-двигательной системы человека, которую составляют скелет и мышцы. Кроме обеспечения механической прочности, эта система создает основу для поддержания тела человека в пространстве, для перемещения его по поверхности планеты, для организации сложных движений.

Опорно-двигательная система человека должна противостоять достаточно большим нагрузкам, обусловленным, во-первых, действием собственного веса и, во-вторых, ускорениями и торможениями, которые всегда сопровождают любое движение. Особенно сильные, хотя и кратковременные, нагрузки на наш скелет испытывает во время ударов, падений, прыжков, в аварийных ситуациях. Действующие при этом на скелет силы могут в 15 – 30 раз превосходить собственный  вес человеческого тела.

Если бы перед инженером-механиком поставили задачу сконструировать скелет человека, то он сразу потребовал бы объяснения, для чего нужна каждая косточка. Действительно, форма, размеры, внутренняя структура кости определяются функциями ее в скелете.

Как же работают наши кости? Как и строительные элементы, они работают в основном на сжатие-растяжение и на изгиб. Эти два режима предъявляют далеко не одинаковые требования (спичку легко сломать, изогнув, но трудно разорвать, растягивая вдоль оси). Кроме того, как и в инженерных конструкциях, в скелете человека желательно сочетание прочности с легкостью.

Задача поиска максимальной прочности при двух режимах работы довольно сложна. Предположим, что горизонтальная балка должна поддержать определенный груз. Сопротивление балки изгибу зависит от формы ее поперечного сечения. Выясним, при каком строении балка, способная выдержать заданный груз, имеет наименьшую массу.

Балка изгибается под действием силы так, что ее верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются. При этом посередине есть слой, длина которого не изменяется при деформации. Это нейтральный слой. Материал, находящийся в нем, не работает, а лишь утяжеляет балку. Поэтому его можно удалить без ущерба для прочности балки.

Вспомните внутреннее строение трубчатых костей. Какова взаимосвязь строения и функций трубчатых костей? (Ответы учащихся. Обобщая, учитель физики подводит к выводу: оптимальной конструкцией является кость с частично отсутствующей сердцевиной. Развитие костной системы в процессе эволюции привело к уменьшению массы человека примерно на 25 % при сохранении прочности скелета.)

Достаточно ли прочны кости? Вспомните химический состав костной ткани. (Ответы учащихся.) Наши кости состоят из разных веществ: минеральные вещества обеспечивают твердость, органические вещества - высокую эластичность. Причиной высокой прочности костей является их композиционная природа. Композиционный материал – это материал, представляющий собой сочетание нескольких веществ. Именно оно обеспечивает одновременно и большую твердость костей скелета, и их эластичность. Давайте сравним прочность костей с прочностью других материалов. Но прежде введем ряд понятий: механическое напряжение, предел прочности, запас прочности...

При деформации любого тела в его сечении возникают силы упругости, препятствующие разрушению образца. Деформированное тело находится в напряженном состоянии, которое характеризуется физической величиной - механическим напряжением σ:

, где S – площадь сечения тела.

СИ:

Наибольшее механическое напряжение, которое выдерживает образец без разрушения, называется пределом прочности. Его значение зависит от природы материала. Проанализируем таблицу. (Отработка понятия).

Таблица 4.

Упругие характеристики материалов.

 

Кости нашего скелета по прочности превосходят и гранит, и бетон. Однако, чтобы избежать разрушения тела, возникающие в нем механические напряжения не должны превышать предел прочности. Число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допустимого напряжения, называется запасом прочности: .

Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить скелет каратиста. Сегодня этот вид спортивных единоборств - карате - очень популярен. Изображения каратистов, разбивающих бруски дерева или бетона, стали уже обычными. Научиться этому можно достаточно быстро. Приемы карате были разработаны на острове Окинава. Завоевав остров в ХVII в., японцы отобрали у местных жителей все виды оружия, запретили его производство и ввоз. Чтобы защищать себя, окинавцы и разработали систему приемов борьбы с помощью пустой(кара) руки (те).

Методы карате сильно отличаются от приемов западных видов самообороны без оружия. Каратист концентрирует свой короткий удар на очень малом участке тела, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратиста может разрушать ткани и кости противника, на которые он направлен. Хорошо тренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд нанести удар мощностью несколько киловатт. Рука каратиста не ломается при ударе даже о бетонный брусок, что частично объясняется гораздо большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.

Итак, ссылаться на хрупкость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они нас не подведут! Сочетание химических веществ в составе костной ткани обеспечивает ей одновременно твердость и эластичность. Способ соединения костей зависит от их функций. Различают непрерывные соединения, прерывные соединения (суставы) и полусуставы. Непрерывные соединения имеются между костями черепа, таза. Между соединяющимися костями расположена тонкая прослойка соединительной ткани или хряща. Соединения костей крыши и лицевого отдела черепа называют швами. Выделяют зубчатые швы, когда зубчатой формы край одной кости крыши черепа соединяется с аналогичным краем другой кости. Полусуставы также представляют собой хрящевые соединения, но в толще хряща имеется небольшая полость. К ним относятся соединения позвонков, лобковых костей. Небольшая подвижность этих соединений достигается при помощи хрящевых пластинок и упругих связок.

Рис. 11.

Суставы - непрерывные соединения костей, включающие следующие элементы: суставные поверхности костей, покрытые хрящом; суставную капсулу, или сумку; суставную полость; полостную жидкость. Сустав обычно укреплен связками. Суставная жидкость продуцируется клетками, выстилающими внутреннюю поверхность суставной сумки. Жидкость облегчает скольжение суставных поверхностей костей и служит питательной средой для суставного хряща. Количество полостной жидкости, заполняющей узкую щель между суставными поверхностями, очень невелико.

Суставы различают по числу и форме суставных поверхностей костей и по возможному объему движений, т.е. по числу осей, вокруг которых может совершаться движение. Так, по числу поверхностей суставы подразделяют на простые (две суставные поверхности) и сложные (более двух). По форме - на плоские, шаровидные, эллипсовидные и т.д.

По характеру подвижности различают одноосные (с одной осью вращения - блоковидные, например, межфаланговые суставы пальцев), двуосные (с двумя осями - эллипсовидные) и трехосные (шаровидные) суставы.

Рис. 12.

В прочности костей мы убедились, теперь поговорим о наших мышцах, благодаря которым мы передвигаемся, работаем. Их строение и форма зависят от той работы, которую приходится чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон:

Рис. 13.

 

Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее. В организме человека одной из самых сильных мышц является икроножная. Она может поднять груз массой 130 кг. В среднем же мышцы человека на каждый квадратный сантиметр сечения развивают силу 160 Н. Эта сила может изменяться, т.к. определяется не только центральной нервной системой, но и внешними механическими условиями, нагрузкой.

Если нагрузка регулярная и постоянно увеличивается, мышечные волокна хорошо развиваются, растет их масса, а значит, и сила сокращения мышцы. История русского народа знает немало людей богатырской силы. Это, например, погибший в 1907 г. капитан флота Лукин, прозванный «русским Геркулесом». Очевидцы рассказывают, как он с командой из двенадцати матросов одержал победу над толпой в несколько сот человек. Он легко ломал подковы, мог держать пудовые гири в ладонях, пальцем вдавливал гвозди в стену.

Никогда не забудется имя Ивана Максимовича Поддубного, грузчика, которого М.Горький называл «олицетворением силы нашего народа». Поддубный 33 года был чемпионом мира по борьбе.

Рассказ учителя дополняется сообщениями учащихся на темы:

─       развитие опорно-двигательной системы;

─       значение тренировки: мышц;

─       искривления позвоночника и плоскостопие причины возникновения и профилактика;

─       гимнастика, ее значение.

Затем по сообщениям проводится беседа:

─       Каково значение двигательной активности в жизни человека?

─       Почему возникает искривление позвоночника?

─       Почему возникает плоскостопие?

2. Обобщая, учитель подводит школьников к выводу: Двигательная активность жизненно необходима, т.к. при сокращении мышечных волокон происходит расширение сосудов мышцы и поступление в нее большого количества питательных веществ и кислорода, а продукты распада при этом активно удаляются. Это дополняется активной работой органов дыхания и сердечно-сосудистой системы. Усиление обмена веществ, процессов дыхания и кровообращения повышает общий жизненный тонус организма.

Химический состав кости. (Учитель демонстрирует нормальную, прокаленную и декальцированную кости и объясняет, при помощи каких опытов они были получены. Учитель проводит фронтальную поисковую беседу, упражняющую учеников в логике рассуждений и выводов. Например:

─       Объясните, что происходит с составом кости при прокаливании.

─       Какой вывод из этого следует?

─       Объясните, как изменяется состав кости при выдерживании ее в кислоте.

─       Какой вывод из этого вытекает?

─       Чем важна для функции скелет прочность кости при сохранении некоторой упругости?

Работа в группах. Каждой группе (по 5-6 чел.) предлагается карточка с заданиями. Ответы каждого и работу группы в целом оценивает «специалист-биолог» из членов той же группы.

1. Заполнить таблицу, используя знаки «+» или «-«. (Ниже приведена заполненная таблица.)

Свойства костной ткани.

2. Каков же запас прочности у наших костей? Выясним это, решая задачу.

·         Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения З,З см². Зная предел прочности кости, рассчитайте наибольшую массу груза, который может удерживать эта кость, работая на сжатие. Определите запас прочности кости, если средняя нагрузка на нес 25 кг.

·         Рассчитайте удлинение сухожилия человека под действием силы 10 Н. Считайте, что сухожилие имеет форму сильно вытянутого цилиндра длиной 16 см, диаметром 8,6 мм.

·         Средняя площадь сечения бедренной кости человека равна 3 см². Какую силу сжатия может выдержать кость, не разрушаясь?

·         Вычислите механическое напряжение в берцовой кости человека (площадь поперечного сечения 3*10^{-4 м2}) и определите, сломается кость или нет в предположении, что: а) человек приземляется после прыжка с высоты 5 м, не сгибая ног (длина перемещения тела при столкновении с землей равна 1 см); б) человек приземляется, сгибая ноги в коленях (l=50 см)

3. Ответить устно:

─       Почему при ручной стирке белья спина устает больше, чем руки?

─       Как изменяются с возрастом свойства костей человека в связи с изменениями их химического состава?

3. После 5 минут работы результаты обсуждаются всем классом. В конце урока подводятся итоги.

4. Домашнее задание: ответить на вопросы:

─       Как сохранить работоспособность мышц?

─       Нужно ли обладать какими-либо природными качествами, чтобы стать спортсменом?

─       Что является залогом успеха в спорте?

 

Проявление силы трения в организме человека.

Цель занятия: - познакомить учащихся с проявлением силы трения в организме человека.

Оборудование: иллюстрации к уроку, доска, метр.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Изучение нового материала.	15 – 20	Рассказ с элементами беседы. Решение задач и их обсуждение.
2. Совершенствование знаний и умений.	25 – 30	Решение задач. Ответы на вопросы. Лабораторная работа.
3. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Начать рассмотрение материала лучше с обсуждения процесса человеческой ходьбы.

Учитель: Абсолютно гладких поверхностей опоры практически не существует. Между телом человека и опорой при движении по ней всегда возникает трение.

Сила трения – это мера противодействия движущемуся телу, направленного по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сила трения считается равной произведению нормального давления на коэффициент трения.

Это справедливо для трения скольжения, когда одно тело перемещается относительно другого, не теряя контакта с ним, скользит по нему. Сила трения в этом случае динамическая. Если тело не может скользить, т.е. сила трения удерживает тело в неподвижности, то такая сила трения называется статической (или сила трения скольжения покоя). По третьему закону Ньютона статическая сила трения равна сдвигающей силе.

Предел, до которого может увеличиваться статическая сила трения, называется предельной силой трения скольжения покоя. Она равна произведению нормального давления на статический коэффициент трения скольжения.

Следовательно, статический коэффициент трения скольжения равен отношению статической силы трения скольжения (предельной) к силе нормального давления, или отношение сдвигающей силы к прижимающей.

При ходьбе человек ставит ноги на землю таким образом, что они должны были бы скользить назад, если бы трения не существовало. И в самом деле, при попытке идти по гладкому льду, когда трение мало, ноги человека проскальзывают, движение его становится небезопасным и может окончиться падением. Так как сила трения покоя действует в направлении, противоположном тому, в котором должно было бы возникнуть скольжение, она сообщает телу человека ускорение, направленное вперед. Человек идет вперед потому, что последовательно отталкивается от дороги то одной, то другой ногой. По асфальту идти легче, чем по мокрой глине или льду, потому что коэффициент трения покоя материала подошв об асфальт в первом случае намного больше. Ступая по мокрой глине или льду, человек уже не может отталкиваться от дорожки с прежней силой, так как сила толчка прямо пропорционально зависит от коэффициента трения: F = kN.

Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим задачу.

─       С какой шириной шага может идти по скользкому льду человек, не боясь упасть, если длина его ног 1 м. а коэффициент трения подошв обуви о дорогу 0,1?

Так как при  ходьбе используется лишь часть максимальной силы трения покоя, не допускающей проскальзывания, то можно утверждать, что . Поэтому человек при ходьбе по скользкой поверхности «семенит» ногами и его походка становится похожей на походку Чарли Чаплина. Спортсмены-фигуристы также используют это обстоятельство. Стоит спортсмену, до того вполне надежно державшемуся на льду, сильно раздвинуть ноги, как условие нарушается и он легко переходит в положение шпагат.

С целью улучшения «сцепления» поверхности обуви с поверхностью льда служат специальные приспособления на ботинках альпинистов для ходьбы по ледникам.

─       Какова роль силы трения скольжения в жизни человека?

─       Почему, несмотря на явные преимущества, качение не используется живой природой при «конструировании» живых существ?

Второй вид трения - трение качения, когда точки соприкосновения тел всё время сменяются. Механизм трения качения объясняется деформацией соприкасающихся тел. Коэффициент трения качения вычисляют как отношение момента движущей силы к моменту трения.

Трение верчения - когда между трущимися телами имеется неподвижная точка и движение, соответственно, происходит вокруг этой точки (например, при метании молота, вращение метателя на шипе на подошве обуви).

Всем известно, что катить легче, чем тянуть. Но почему, несмотря на явные преимущества, качение не используется живой природой при «конструировании» живых существ? При этом обычно ссылаются на отсутствие у животных и насекомых каких-либо двигательных органов, хотя бы отдаленно напоминающих колесо. Иными словами, предполагается, что качение можно реализовать только круглыми телами. Так ли это? Возьмем колесо со множеством спиц и отбросим обод. Легко убедиться, что получившееся звездообразное тело катится не хуже обычного колеса. Тут же всплывает в памяти известное выражение «ходить колесом». И действительно, аналогия с «катящейся» звездой полная. Вся разница в том, что у кувыркающегося «колесом» акробата всего четыре «спицы»: две руки и две ноги. Но чем отличается «хождение колесом» от обычной ходьбы? В принципе ничем. Правда, при ходьбе человек и животные немного сгибают ноги, вызывая этим потери энергии на вертикальные перемещения своего центра масс, чего при обычном качении нет. Но в наиболее быстром, спортивном стиле ходьбы ноги спортсмена почти не сгибаются. Таким образом, мы пришли к выводу, что качение можно осуществить не только круглыми телами, но и с помощью специальных устройств произвольной формы, содержащих опоры («ноги»), которые могут переступать в определенной последовательности. Остается только удивляться природе, создавшей такие надежные и экономичные системы для перемещения живых существ по суше. Добавим к этому, что перемещение с помощью ног имеет и гигантское преимущество перед качением: оно не требует гладкой дороги и позволяет легко одолевать препятствия, сравнимые с размером ноги.

Трение важно для человека не только потому, что без него невозможно перемещение. Без него невозможно преобразование поступательного движения мышц во вращательное движение конечностей в суставах. Суставы человека и животных близки по своим функциям к шарнирам: шаровому и цилиндрическому. Плечевой, тазобедренный суставы, сочленение головы с позвоночником, глаз в своей орбите устроены по принципу шарового шарнира, состоящего из двух соприкасающихся сферических поверхностей: выпуклой и вогнутой - равного радиуса. Локтевой и коленный суставы, суставы пальцев напоминают цилиндрический шарнир, допускающий вращение только в одной плоскости. Сложнее устроена система запястья: она представляет собой аналог двух цилиндрических шарниров, оси которых взаимно перпендикулярны. Внешний вид шарнирного устройства, по своим возможностям напоминающего руку человека, изображен на рисунке.

Вся поверхность сустава, испытывающего трение, покрыта особой хрящеватой тканью, пропитанной так называемой синовиальной жидкостью. Эта жидкость по своему составу близка к плазме крови, но обладает значительно большей вязкостью. Под периодической внешней нагрузкой, например при ходьбе, жидкость выдавливается из капилляров хряща и, действуя, как смазка, обеспечивает коэффициент трения 0,003. Только болезни, вызванные отсутствием тренировок или возрастными изменениями, могут нарушить совершенство суставов. Последствия этого бывают тяжелыми для человека: часто он практически лишается способности нормально ходить.

Вообще же проблема трения в суставах и их изнашиваемости решена природой на таком уровне, о котором инженеры - трибологи (специалисты по трению) могут только мечтать. Динамические нагрузки, превышающие тысячи ньютон при прыжках, практическое отсутствие трения и изнашивания, никакого особого «техобслуживания» и безотказная работа в течение всей жизни - вот перечень качеств природного узла трения - сустава.

Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения всегда обладают значительной вязкостью. Также и в организме человека жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.

Кровь, например, более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Чем сосуды тоньше, тем больше трение им тем больше падает давление крови. Роль смазки при проглатывании пищи играет слюна. Трение мышц или сухожилий о кость уменьшается благодаря выделению специальной жидкости сумками, в которых они расположены. Число таких примеров можно продолжить.

Также с опросом о трении, как факторе, обеспечивающем, в конечном счете, способность людей и устройств к перемещению, тесно связана проблема безопасности автомобильного движения.

─       Каковы, на ваш взгляд, масштабы гибели людей в автокатастрофах?

─       Как эти числа соотносятся с данными о гибели людей в авиационных, железнодорожных и других катастрофах?

─       Каковы причины гибели людей в автокатастрофах?

Значительная доля дорожных происшествий вызвана плохой погодой: гололедом, дождем, снегом и т.д., вследствие чего изменяется важная характеристика покрытия дороги – коэффициент трения.

Из сравнения коэффициентов трения о сухой и мокрый асфальт (0,6 и 0,4 соответственно) видно, что в дождь или гололед условия торможения резко ухудшаются, тормозной путь, равный . Причем, значение t_Р очень индивидуально: на него оказывают влияние такие факторы, как состояние здоровья, усталость, наличие алкоголя в крови и т.д.

В целом же последняя формула позволяет получить данные, которые находятся в более хорошем соответствии с экспериментом, чем полученные с помощью предыдущей формулы.

2. Затем можно предложить учащимся решить следующие задачи.

·         Оцените максимальное ускорение, которое может развивать бегущий человек. Почему «шиповки» считаются наилучшей обувью для бега?

·         Предположим, вы стоите в салоне автобуса, движущегося с ускорением, равным 0,4g. Каким должен быть минимальный коэффициент трения между вашими подошвами и полом, чтобы вы не скользили?

Далее учащиеся выполняют лабораторную работу № 5 «Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.»

·         Найдите тормозной путь автомобиля массой 1500 кг, движущегося со скоростью v=90 км/ч, если коэффициент трения шин о дорогу составляет 0,55.

·         Каким должен быть тормозной путь на Луне, если все остальные условия движения были бы, как в предыдущей задаче?

3. Домашнее задание: составьте таблицу значений тормозного пути автомобиля в зависимости о  начальной скорости торможения. Выполните расчеты для t=0,8 с и коэффициента трения 0,4. постройте диаграмму скорость – тормозной путь по данным таблицы.

 

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности.

Цель занятия: - рассказать учащимся о работе и мощности, которую развивает человек при разных видах деятельности;

- доказать взаимосвязь строения и функции на примере мышечной и соединительной тканей организма человека, обеспечивающих движение и преобразование энергии.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	10	Ответы на вопросы.
2. Изучение и освоение нового материала.	20 – 25	Рассказ учителя. Беседа. Решение задач.
3. Формирование умений.	10	Решение задач.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Класс делится на несколько групп, которые получают задания найти ответы на вопросы, приведенные в «Таблице «толстых» и «тонких» вопросов», используя дополнительную литературу и материал учебника.

Таблица " толстых " и " тонких " вопросов

Толстые ?

Тонкие ?

─      Человек, стоящий неподвижно, удерживает в руке груз. Совершает ли он механическую работу? ─      Одинаковую ли работу совершает человек, поднимаясь по вертикальному канату, который в одном случае привязан к потолочной балке, а в другом – перекинут через блок и на конце его привязан груз, равный весу человека? ─      Два мальчика, имеющие разные массы, вбежали наперегонки по лестнице и поднялись на четвертый этаж школы одновременно. Одинаковую ли мощность развивали они при  этом? ─      Какой физический смысл пословицы: «Что тратишь, поднимаясь в гору, вернешь на спуске»

─            Что называется механической работой? ─            Какую энергию называют потенциальной? ─            По какой формуле определяют потенциальную энергию упруго деформированного тела? ─            Чему равна работа силы упругости, если тело, на которое она действует, пройдя некоторое расстояние, вернулось в исходную точку? ─            Что называется мощностью? Какая формула выражает смысл этого понятия? ─            Какова единица мощности в СИ? Сформулируйте определение этой единицы измерения.

 

2. Изучение и отработка нового материала заключается в решении задач. Учитель делает обобщение, вводит понятие, коллективно обсуждаются некоторые понятия.

Учитель: Организм человека имеет два механизма сопротивления механическим нагрузкам. Его инертные части: зубы, кости, волосы – воспринимают нагрузку точно так же, как и любое неживое твердое тело.

Но живой организм как целое ведет себя по-другому. Человек способен сопротивляться приложенным силам: напрягать свои мышцы в зависимости от того, что требует сложившаяся ситуация, - отталкивает или тянет что-то. Человек всегда, даже когда стоит неподвижно, производит направленные, хотя и бессознательные, подстроечные операции в мышцах тела. Это происходит следующим образом.

Мозг человек непрерывным потоком посылает волокнам мышц руки, удерживающей груз, электрические импульсы – управляющие сигналы. Получившее сигнал мышечное волокно сокращается, а затем опять расслабляется. При работе мышцы в нее сплошным потоком идут нервные импульсы и множество волокон сокращается, пока другие отдыхают.

Однако сохранение биомеханического напряжения мышц требует непрерывного расходования энергии, приводящего в конечном счете к усталости мышц. Это можно даже увидеть когда рука устает держать груз, она начинает дрожать. Происходит это потому, что потоки импульсов от мозга нерегулярны и уставшие мышцы не успевают вовремя на них реагировать. При накоплении мышечной усталости Человек может уронить груз, упасть, потерять сознание чтобы этого не произошло, человек должен либо прекратить работу либо принять пищу для восполнения потерь энергии.

Таков механизм действия поперечнополосатых мышц человека. Но природа позаботилась и о другом, варианте устройства мышц: это гладкие мышцы, из которых сделаны стенки внутренних органов тела человека. В отличие от быстродействующих поперечнополосатых мышц гладкие мышцы действуют очень медленно и независимо от нашей воли. Кроме того, они обладают свойством «цепенеть», замирать, и для поддержания их в таком состоянии не нужно никакой энергии. Существует предположение, что такими мышцами было бы более удобно поднимать грузы. Почему природа предпочла первый механизм второму, создавая наши конечности, можно только догадываться. Может быть, все дело именно в быстродействии и способности управления.

·         Человек поднимается по лестнице. Какую работу он совершает при подъеме на каждую ступеньку?

·         Человек поднимает груз массой 10 кг на высоту 1 м, переносит его по горизонтали на расстояние 10 м и отпускает. Чему равна работа, совершенная человеком на каждом этапе, и какова полная работа по перемещению груза?

·         Как зависит совершаемая человеком работа от его линейных размеров?

Действительно, работа определяется произведением силы на расстояние. Оценим силу, которую может создавать мышца, а затем расстояние, на которое укорачивается мышца при работе. Это даст нам работу, которую производит мышца при одиночном сокращении.

Максимальное напряжение, которое может создать любая мышца, определяется внутренней структурой мышечных волокон (филаментов). Оно составляет примерно 300-400 кПа и не зависит от размеров тела, это напряжение одинаково для всех людей.

Степень сокращения скелетной мышцы не зависит от размеров тела. Максимальное относительное сокращение, или растяжение, по-видимому, составляет примерно 0,3.

Из этого мы можем заключить, что максимальная работа, производимая при одном сокращении в пересчете на единицу объема мышцы, не зависит от линейных размеров человека. Кстати, этот факт подтверждается еще и тем, что плотность филаментов постоянна у всех животных независимо от их размеров.

Работа, совершаемая человеком, обладает важной особенностью: в одних и тех же условиях человек может работать с разной эффективностью.

─       Чему равна кинетическая энергия человека, бегущего изо всех сил?

─       Какую работу совершает человек для остановки?

Для рассмотрения человека теорема о связи работы и кинетической энергии может быть проиллюстрирована следующим образом.

Так как , то , т.е. развиваемая при столкновении тел сила тем больше, чем больше энергии запасено в теле или чем меньше путь, на котором она расходуется. И наоборот, тем большую энергию можно запасти, чем дольше понемногу работать или работать на большем пути, при том что сила удара тем больше, чем тверже сталкивающиеся тела. Поэтому в живой природе имеют место следующие закономерности: 1) все ударные орудия (рога, бивни, клыки) должны быть из твердого материала; 2) удар по мягкой ткани воспринимается менее болезненно, чем по твердой части - кости, суставу; 3) искусственно удлиняя путь торможения, можно ослабить силу удара. Этим объясняется действие пружины, рессоры, суставов (при сгибании ног в конце прыжка).

─       Почему из всех видов перемещения: плавание, полет, ползание – природа наделила человека способностью ходить?

Так как масса Земли очень велика по сравнению с массой человека, вся кинетическая энергия будет использована им на перемещение своего тела. Земля же приобретает скорость, практически равную нулю, а вместе с ней нулевую кинетическую энергию.

Иначе обстоит дело, когда человек плавает. Движения рук и ног смещают назад несколько десятков килограммов воды, на что расходуется приблизительно столько же энергии, сколько на сообщение скорости самому пловцу.

Еще менее выгодно использование энергии при  полете. Здесь отбрасываемая масса воздуха имеет совсем малое значение. Затраты энергии на движение будут почти полностью связаны с отбрасыванием воздуха, а не перемещением летящего тела.

─       Как зависит скорость бегуна от его размеров?

При беге энергия, накопленная в теле бегуна в результате принятия пищи, расходуется несколькими путями:

ü  превращается во внутреннюю энергию;

ü  тратится на движение центра масс бегуна вверх-вниз;

ü  тратится на отталкивание от земли;

тратится на поддержание поступательного движения тела человека в направлении вперед при это ноги человека, масса которых составляет примерно половину массы тела, совершает полезную работу по поддержанию этого движения: , так как силы мышц ног, расстояние, на которое перемещается тело при каждом шаге и масса тела пропорциональны размеру бегуна, следовательно скорость не зависит от размеров тела.

В действительности этот анализ относится не только к человеку. Все животные с аналогичными формами будут иметь сравнимые скорости бега независимо от размеров. За исключением данных о человеке максимальная и минимальная скорости отличаются менее чем вдвое.

Таблица 5.

Скорости бега животных.

Люди - плохие бегуны, поскольку их движение обеспечивается мышцами, целиком сосредоточенными в ногах. Слишком велика масса, которая должна быть ускорена и заторможена. Самые быстроходные животные имеют худые ноги, а основная мышечная масса сосредоточена у них в теле.

Вероятно, на какой-то стадии своей эволюции люди отказались от использования при передвижении четырех конечностей и стали ходить прямо. Считается, что за изменение функций верхних конечностей люди заплатили проигрышем в эффективности бега. Однако современные эксперименты показывают, что переход к прямохождению не слишком сильно влияет на эффективность бега. Группа шимпанзе была выдрессирована бегать как на двух, так и на четырех конечностях. Измерения потребления кислорода показали, что бег с одинаковой скоростью при использовании любого стиля требует одинаковой мышечной работы. Следовательно, низкая скорость бега у людей по сравнению с другими животными не является результатом использования двух ног.

Сухожилия, в частности ахилловы сухожилия на ногах, играют роль рессор при движении человека. Сухожилия представляют собой части мышц, которыми последние крепятся к костям и коже. Общая масса их в теле человека 0,5 кг. Состоят сухожилия из плотной соединительной ткани и почти нерастяжимы. Насколько эффективно может работать это изобретение живой природы, можно понять, рассмотрев таблицу 6.

Таблица 6.

Способность материалов запасать потенциальную энергию упругой деформации.

Материал	Относительная рабочая деформация, %	Рабочее напряжение, МПа	Плотность, кг/м3	Запас энергии, Дж/кг
Железо древних Современная пружинная сталь Бронза Древесина тиса Сухожилие Роговая ткань Резина	0,03 0,3     0,3 0,9 8,0 4,0 300	70 700     400 120 70 90 7	7800 7800     8700 600 1100 1200 1200	1,3 130     70 900 2500 1500 800

Сравнение биологических материалов с искусственными, например сухожилий и стали, показывает, что у сухожилий запас энергии, отнесенный к единице массы, примерно в 20 раз больше, чем у стали. Последнее обстоятельство еще раз подтверждает, что природа для решения своих технических задач изобрела лучшие материалы, чем человек.

Продолжается групповое и индивидуальное решение задач. Приведем их примеры:

·         Оцените потенциальную энергию, которую может запасти 1 кг сухожилий.

·         Известно, что мастера-каратисты могут так концентрировать энергию своего удара, что оказываются способными разбить деревянный брусок, стопку кирпичей, бетонный блок. Как велика должна быть энергия, необходимая для этого? Как может рука разбивать прочные предметы?

·         Работа левого желудочка, перекачивающего при среднем давлении 100 мм.рт.ст. (135 г/см²) 5 л крови в минуту, составляет: 5000*135=6,75кг*м за 1 минуту. Рассчитайте коэффициент полезного действия сердца.

Коэффициент полезного действия сердца, равный отношению совершенной работы к затраченной энергии, составляет всего 14 – 25%, что говорит о значительных потерях энергии. при физических нагрузках и тренировке КПД сердца может увеличится. При повышении артериального давления нагрузка на сердце увеличивается, а КПД уменьшается. Поэтому для облегчения работы сердца желательно, чтобы кровяное давление было сравнительно низким, а сердечный выброс – большим.

Мощность – одна из важнейших энергетических характеристик, определяемая как быстрота совершения работы. Мощности, характерные для человека отмечены сравнительно небольшим разбросом: от мощности сердца (порядка 0,1 Вт) до наибольшей мощности, которую может развить человек (порядка нескольких киловатт).

─       Почему человек не может развивать большую мощность в течение длительного промежутка времени?

Ограничение на значение мощности, развиваемую человеком, накладывается значением скорости, с которой человеческий организм преобразует химическую энергию пищи в механическую энергию. Эта скорость определяется быстротой сжигания жиров и углеводов. Она не поддается регулировке, так как выработалась в процессе естественного отбора применительно к условиям жизни на нашей планете.

Эксперименты показывают, что человеческий организм обычно совершает в секунду до 100 Дж механической работы, иногда может увеличить расход мощности в 5 – 10 раз, но в течение короткого времени.

Способность организма человека совершать достаточно большую механическую работу в течение сравнительно большого интервала времени называется выносливостью. Это свойство очень ценится во многих видах спорта, в частности у стайеров-бегунов на длинные дистанции, марафонцев, Велосипедистов, лыжников, пловцов на длинные и сверхдлинные дистанции. В этих видах деятельности особое значение приобретают правильное распределение сил на дистанции и экономная техника движений.

Моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии, когда развиваемая человеком мощность может превысить основную скорость обмена веществ почти в 500 раз, имеет место в таких видах спорта, как спринтерский бег, прыжки, толкание ядра, поднятие штанги. Способность развивать очень большую мощность, хотя бы на короткий промежуток времени, одно из основных качеств, которыми должен обладать организм таких спортсменов. На выработку этого умения и направлены в основном многочасовые, требующие большого напряжения тренировки спортсменов.

─       Что такое полная механическая энергия?

─       Сформулируйте и запишите закон сохранения полной механической энергии.

Человек, все же, не замкнутая система. Работая, мы затрачиваем свою внутреннюю энергию. Для человека единственным источником энергии являются энергия химическая, потребляемая с пищей.

Питание обеспечивает основные жизненные функции организма. К этим функциям необходимо, прежде всего, отнести непрерывное обновление тканей (пластическая роль пищи). Далее, с пищей доставляется энергия, необходимая для всех внутренних процессов организма: правильного обмена веществ, синтеза в клетках, поддержания постоянной температуры тела, а также для осуществления внешней работы и движения. Каждое сокращение мышцы, удар сердца, вдох, выдох, нервные импульсы зависят от количества поставляемой энергии. Потребность в энергии выражается в килокалориях (ккал) в расчете на одного человека в сутки и зависит от энергозатрат организма.

Энергозатраты организма слагаются из:

ü  расхода энергии на поддержание основных жизненных функций организма (основной обмен);

ü  специфически-динамического действия пищи – усиления обмена в ответ на прием пищи;

ü  расход энергии на рост и развитие, отложение тканевых веществ (для детей и подростков);

ü  расхода энергии на выполнение работы, на двигательную активность.

В состоянии покоя человек тратит энергию только на обмен веществ. На этот процесс влияет много факторов, в частности масса тела, рост, пол, возраст, а также функции внутренней секреции, вырабатывающих гормоны. Из внешних факторов на обмен веществ воздействуют климатические условия. Основной обмен может понижаться под влиянием высоких температур окружающей среды (на 10 – 15 %), повышаться под влиянием холода (на 20 -25 %). На основной обмен влияют также стрессы и некоторые болезненные состояния организма. Но еще более значительное повышение основного обмена наблюдается при несбалансированных рационах питания: расход энергии идет на синтез недостающих в пище ингредиентов, необходимых организму.

Кроме обеспечения основного обмена, энергия химических связей питательных веществ тратится и на переваривание пищи, проявляющей свое специфически-динамическое действие. Отмечается влияние на степень повышения обмена не только количества принятой пищи, но также и ее качества. Более выраженное повышение обмена наблюдается в ответ на прием белковой пищи, меньшим специфически-динамическим действием обладают жиры и углеводы.

Принято считать, что из общего количества расходуемой энергии на рост и развитие ребенка тратится около 15 % ее.

Энергия, затрачиваемая на активность, является, очевидно, наиболее изменчивой частью расходов энергии. Для одного и того же человека при различных физических нагрузках энергетическая потребность человека может колебаться от 2200 до 3150 ккал в сутки. В таблице 7 приведен расход энергии в зависимости от физической активности человека.

Таблица 7.

Расход энергии в зависимости от физической нагрузки

(за 1час на 1 кг массы человека).

Вид активности	Ккал /час	Вид активности	Ккал/час
В состоянии покоя (лежа) Прием пищи сидя Стоя без движения Работа за письменным столом Разговор Утренний и вечерний туалет Вождение автомобиля Одевание Купание в ванне Вождение мотоцикла Подметание пола Работа по дому Застилание постели Мытье окон Ходьба Глажение белья	1,2 1,2 1,2 1,6 1,6 1,7 2,6 2,8 2,8 3,2 3,2 3,4 3,4 3,6 3,8 3,8	Мытье полов Зарядка Езда на велосипеде Гребля Вальсирование Хождение по глубокому снегу Быстрый танец Игра в теннис Гребля на байдарке (6 км/ч) Рубка дров Игра в футбол Вскапывание грядок Прогулка  в горы Бег трусцой Бег на длинные дистанции Спринт	4 4 4,4 4,4 4,5 5   6 6,1 6,2 6,6 7,8 8,2 8,8 9,8 13,2 33,3

Принимая во внимание то, как много факторов влияет на энергетические потребности, можно понять, почему каждому человеку необходимо разное количество энергии.

Установление количественной адекватности питания и его коррекция проводятся путем контроля за массой тела с точным учетом съеденной пищи при кормлении досыта. Достаточная калорийность пищи, обеспечивающая постоянство массы тела взрослого человека и необходимый прирост ее у детей, устанавливается лабораторным путем. Наблюдение ведется в течение 15 – 20 суток ежедневно. В случае если за срок наблюдения обнаруживается уменьшение массы тела или, наоборот, наметится тенденция к ее увеличению, необходимо произвести коррекцию рациона из расчета 4100 ккал (17,154 кДж) на каждый потерянный или приобретенный килограмм. Например, за полгода масса увеличилась на 2 кг. Это означает, что за этот срок человек получал энергии больше нормы, так как вся неизрасходованная энергия запасается в жировом слое. В течение 180 дней (полгода) человек получил больше на 8200 ккал (4100 х 2), а в расчете на сутки дневной рацион содержал лишних 45 – 46 ккал (8200: 180). Этот пример не может быть применен к детскому организму или организму подростка, так как у детей часть энергии идет на рост и развитие, который предусматривает и прирост массы тела. Для расчета адекватности питания ребенка, необходимо учитывать среднее увеличение массы тела, соответствующее возрасту.

Резкие расхождения между требуемой и фактической калорийностью или длительное использование субкалорийных рационов могут отразиться не только на изменениях массы тела, но и на здоровье человека.

В таблице 8 приведены рекомендуемые суточные нормы потребления энергии (при средней физической активности).

Таблица 8.

Для детей и подростков при расчете калорийности питания необходимо учитывать и энергию, затрачиваемую на рост и развитие, которую необходимо добавить к основному обмену и энергозатратам на активность. В таблице 9 представлены составные части расхода энергии у детей и подростков.

Таблица 9.

Расход энергии у детей и подростков, ккал/24 час.

 

В том, что количество мускульной энергии, которую может производить человек, очень невелико, мы убедились, решая задачи по предыдущим темам. Невелики и совокупные механические усилия всех живущих на Земле людей.

Рассмотрим несколько задач на применение закона сохранения механической энергии.

3. Для расширения представлений учащихся о возможностях человека можно предложить их вниманию следующие задачи:

·         Определите среднюю мощность, развиваемую бегуном на дистанции 100 м.

·         Спортсмен подтягивается на перекладине, выполняя одно подтягивание за 1 с. Какова мощность, развиваемая при этом спортсменом?

·         Человек взбегает вверх по лестнице, преодолевая один пролет за 2,5 с. Какова развиваемая им мощность?

·         В каком из рассмотренных выше случаев человек развивает наибольшую мощность? Какова причина различий в значениях развиваемой мощности?

·         Тарзан разбегается до максимальной скорости 8 м/с и цепляется за лиану, свешивающуюся вертикально вниз  с высокого дерева. На какую максимальную высоту поднимется Тарзан, раскачавшись на лиане? Повлияет ли на ответ длина лианы?

·         Было установлено, что череп человека может быть пробит движущимся предметом с площадью сечения в несколько квадратных сантиметров, если давление равно 5*107 Па. Предположим, что молоток (масса 2 кг, диаметр головки 2,5 см) падает с высоты h и ударяет человека по голове. При этом торец головки параллелен поверхности черепа. Какова минимальная высота, падение с которой приведет к травме черепа, если удар продолжается 1 мс?

·         Шофер, едущий в автомобиле по горизонтальной дороге в тумане, внезапно заметил недалеко впереди себя стену, перпендикулярную направлению движения. Что лучше сделать: затормозить или повернуть в сторону, чтобы предотвратить аварию?

4. Домашнее задание: выполнить лабораторную работу № 6.

 

статика в теле человека

Цель занятия: - показать связь между физикой и биологией через решение задач по статике.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Изучение нового материала.	25 – 30	Рассказ с элементами беседы. Постановка опытов. Работа с иллюстрациями.
2. Отработка знаний и умений.	10	Решение задач.
3. Формирование умений.	10	Решение задач.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Сегодня мы попробуем взглянуть на себя со стороны, основываясь на фактах. Как вы знаете, человек – существо многогранное: он покорил высочайшие горные вершины, опустился в самые глубокие точки Мирового океана, побывал на Луне, расщепил атомное ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что же мы представляем собой, что мы можем сделать, какими возможностями и ресурсами обладаем?

Статика занимается изучением сил, действующих на тела, находящиеся в равновесии. Методы статики применяются в самых различных областях деятельности человека. Архитекторы и инженеры должны уметь рассчитывать силы, действующие на конструкционные элементы зданий, мостов, станков, автомобилей, космических кораблей и других объектов, поскольку любой материал может деформироваться или разрушаться, если приложить к нему очень большую силу.

Давайте, для начала, определим, где находится центр тяжести человека. От чего зависит его положение? Предложите способ экспериментального определения центра тяжести тела человека.

Одним из возможных ответов может быть такой. Человек ложится на пол или другую горизонтальную подставку, опираясь животом на валик. Перемещая валик, находит положение, при котором его теле в состоянии мускульного напряжения будет находиться в равновесии. Точка опоры в этом случае и укажет положение центра тяжести тела человека.

Можно определить положение центра масс тела среднего человека на основании антропологических исследований большого количества людей, как это было проделано американской службой НАСА.

Таблица 10.

Положение центров масс различных частей тела среднего человека.

Расстояние от пола до суставов, % полного роста	Суставы (●) соединения		Расстояние от пола до центра масс различных частей (*), % полного роста	Процент массы тела
91,2	Позвоночник у основания черепа		Голова 93,5	6,9
81,2	Плечевой сустав		Верхняя часть рук 71,7	6,6
	Локоть 62,2		Туловище и шея 71,1	46,1
	Запястье 46,2		Нижняя часть рук 55,3	4,2
52,1	Тазобедренный сустав		Кисти рук 43,1	1,7
28,5	Коленный сустав		Верхняя часть ног (бедра) 42,5	21,5
4,0	Лодыжка		Нижняя часть ног 18,2	9,6
			Ступни 1,8	3,4
			58,0	100,0

Еще одним логически продолжающим вопрос о равновесии сил, является проблема рычага. Я предлагаю вам попробовать решить эту задачу.

Чтобы приподнять валун массой 200 кг, подсовывают под него конец двухметрового лома.  Точкой опоры служит бревно, лежащее в 25 см от конца лома. С какой силой нужно надавить на другой конец лома, чтобы сдвинуть валун?

Рычаг обладает очень важным свойством, обусловившим его широкое распространение в природных механизмах, таких, например, как скелеты человека и животных. Это свойство - очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98-100%. Высокий КПД рычага определяется тем, что в нем малы потери на трение. Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвонок), фаланги пальцев.

Главные кости и мышцы руки человека показаны на рисунке. Кисть посредством лучезапястного сустава крепится к лучевой кости, которая, в свою очередь, прикрепляется к локтевой кости посредством локтевого сустава. При помощи плечевого сустава рука крепится к лопатке.

Рис. 14.

Основными рабочими мышцами руки, отвечающими за перемещение предплечья, являются бицепс (двуглавая мышца) и трицепс (трехглавая мышца). Как все мышцы, они не могут создавать толкающих усилий - они могут только тянуть. Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется. Когда человек опускает предмет, происходит противоположное, в чем нетрудно убедиться на опыте.

В частности, чтобы удержать груз некоторой массы, необходимо усилие мышцы, почти в 10 раз превышающее силу тяжести, действующую на груз.

2. Отработка изученного является естественным продолжением предыдущего этапа занятия. Организуется решение задач.

Рассчитайте, какая сила действует со стороны плеча на локтевой сустав в руке, согнутой под углом 90° к горизонту? Масса удерживаемого груза 10 кг.

Силы, действующие на мышцы и кости руки человека, схематически показаны на рисунке:

F₁ – сила, действующая со стороны плеча на локтевой сустав;

F₂ – сила, действующая со стороны бицепса на локтевой сустав;

 - сила тяжести, действующая на систему рука - кисть;

 - вес груза;

r₂ – расстояние от локтя (точка О) до точки присоединения бицепса (обычно 4 см);

r₃ – расстояние от точки О до центра масс системы рука  -кисть;

r₄ – расстояние от точки О до центра масс груза (считается, что он совпадает с центром масс руки).

Если предположить, что человек, удерживающий груз, имеет массу 80 кг и рост 1,83 м, то величины, характеризующие руку как рычаг, могут быть такими: r₄=0,35 м; r₃=0,19 м; F₃=24 Н; F₄=98 Н.

Решая уравнения сил и моментов

получаем

Окончательно имеем F₂=968 Н, F₁=847 Н.

Эти силы значительно больше, чем вес груза, удерживаемого рукой.

Рис. 15.

Другой пример рычага в теле человека – череп. Ось вращения этого рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы mg, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Рис. 15.

Еще одним примером рычага в теле человека является действие стопы при подъеме на полупальцы. Опорой рычага в этом случае служит головка плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес тела, приложена к таранной кости. Мышечная сила, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пятки.

Какие силы действуют на стопу человека при подъеме на полупальцы?

Рис. 17.

На рисунке изображены силы, действующие на стопу при подъеме на полупальцы, и их плечи:

Рис. 18.

 - сила реакции пола, равная по модулю весу тела и действующая на плюсневую кость (m= 80 кг);

 - сила, действующая со стороны голени на верх лодыжки;

 - сила, действующая со стороны ахиллова сухожилия на пятку (считаем ее направленной вертикально вверх, хотя в действительности она образует небольшой угол с вертикалью);

r₂ – расстояние от соединения стопы (точки О) до точки касания плюсны и пола (обычно 12 см);

r₃ – расстояние от точки касания плюсны и пола до точки действия ахиллова сухожилия (обычно 18 см).

Исходные уравнения сил и их моментов:

Подставив числовые значения и решив эту систему уравнений, получим

=1567 Н, =2352 Н.

Теперь нетрудно понять почему «стоять на цыпочках» так тяжело. Ведь силы, удерживающие стопу человека в таком положении, составляют  и .

Знание сил, действующих в суставах и мышцах человека, очень важно для медицины (и, прежде всего для лечения травм), не менее важно для научного подхода к занятиям спортом.

Много задач на равновесие сил можно сформулировать, рассматривая системы вытяжки костей. При лечении травм, чтобы срастить сломанные кости или устранить другие повреждения, необходимо фиксировать травмированные участки и уравновешивать силы, которые действуют в месте перелома до тех пор, пока он не срастется. Во врачебной практике для этого применяют различные системы вытяжки, использующие грузы, тросы и блоки. Конструкция всех этих систем основана на том, что натяжение троса одинаково во всех его точках и равно Mg, где M – масса груза, создающего натяжение. Блоки обычно служат для изменения направления действия силы.

Давайте, сравним силы, действующие в двух системах вытяжки. Найдем равнодействующую этих сил.

 

Рис. 19.

Сегодня мы познакомились с тем, какими механическими возможностями обладает человек. Конечно, невозможно охватить все аспекты жизнедеятельности; но, узнавая о себе, о том, что мы можем, мы познаем не только себя, но и окружающий мир. Подумайте об устройстве своего организма. Вы непременно обнаружите в нем «простые механизмы». Подумайте, каким из них подобны зубы, где находятся рычаги.

3. Домашнее задание: решить задачу «Где находится центр тяжести человека? От чего зависит его положение? Предложите способ экспериментального определения центра тяжести человека.»

давление и тело человека

Цель занятия: - конкретизировать представление школьников о давлении и влиянии давления на организм человека;

- раскрыть механизм вдоха и выдоха, показать особенность регуляции дыхания;

- раскрыть особенности строения сосудов в связи с выполняемыми функциями, ознакомить с законом Бернулли;

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	7 – 10	Фронтальная беседа. Работа у доски.
2. Изучение и отработка нового материала.	25 – 30	Рассказ учителя. Беседа. Эксперимент. Решение задач.
3. Подведение итогов.	5	Составление синквейна.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Повторение служит целям формирования знаний и умений. Фронтально обсуждаются вопросы:

─       Что называют давлением? Какая формула выражает смысл этого понятия?

─       Какова единица давления в СИ? Сформулируйте определение этой единицы измерения.

У доски двое школьников готовят решение задачи:

·         Вычислите давление, которое оказывает на землю человек массой 60 кг, подошвы которого занимают площадь 500 мм².

·         Какое давление производит человек, стоящий на одной ноге?

·         Как зависит оказываемое человеком давление на поверхность Земли от его размеров?

Так как давление пропорционально размерам человека, то крупному человеку труднее передвигаться по мягкому грунту, снегу, легче увязнуть в болте и т.д.

─       Что называют атмосферным давлением?

─       От чего зависит атмосферное давление?

2. Характер нового материала требует с одной стороны, повторения и обобщения ранее изученного, с другой – изучения новых понятий.

Учитель: Наличие пригодной для дыхания атмосферы – одно из условий возникновения на планете жизни. Единственная из известных нам населенных живыми существами планет – Земля имеет атмосферу, характеризующуюся следующими параметрами.

Таблица 11.

Существенны для дыхания человека только кислород и небольшое количество водяного пара. Но не следует думать, что остальные газы, составляющие атмосферу Земли, - простые разбавители. Эволюционное развитие человека в атмосфере, содержащей почти 70% примесей, предполагает определенное влияние на развитие живых организмов и других газов. Например, азот и углекислый газ необходимы для жизни растений. Они включены в круговорот веществ, который происходит в живой природе. По-видимому, некоторую роль играют и имеющиеся в атмосфере инертные газы. В частности, известно, что один вид легочных заболеваний человека (коллапс слизистых путей легочных альвеол) встречался бы гораздо чаще, чем это происходит теперь, если бы не содержащиеся в атмосфере инертные газы.

Необходимое для нормального метаболизма парциальное давление кислорода в атмосфере находится между двумя крайними значениями: нижним пределом около 60 мм рт. ст., ниже которого наступает гипоксия (кислородное голодание), и верхним пределом около 400 мм рт. ст., выше которого возникает кислородное отравление. К нижнему пределу приближается парциальное давление О₂ в горняцком поселке Ауканкильча в Чилийских Андах. Несмотря на столь малое содержание кислорода во вдыхаемом его жителями воздухе, они прекрасно себя чувствуют, ведут довольно деятельную жизнь, обрабатывая землю и работая в шахте. Верхний предел парциального давления О₂ достигается при терапевтическом использовании кислорода в лечебных учреждениях. При нормальных условиях на уровне моря, где барометрическое давление составляет 760 мм рт. ст., парциальное давление кислорода, необходимое для дыхания человека, составляет 149 мм рт. ст.

Для углекислого газа парциальное давление должно быть ограничено значениями 0,05 мм рт. ст. и 7 мм рт. ст. Большее количество СО₂ приводит к отравлению организма животных и человека, меньшее – недостаточно для поддержания нормальной жизни растений. При нормальных условиях парциальное давление СО₂ равно 0,21 мм рт. ст.

Находящийся в воздухе азот в процессе грозовой деятельности атмосферы превращается в оксид азота NО₂(IV), в результате чего ежегодно растениям поставляется до 100 млн. т азота. Каково минимально необходимое количество азота в атмосфере, неизвестно, но оно, вероятно, невелико. Большое количество азота вредно для человека: при парциальном давлении 2330 мм рт. ст. человек испытывает азотный наркоз.

В настоящее время всем известно, что воздух имеет вес, поэтому он оказывает давление на все окружающие нас предметы, но до 17 века даже ученые об этом не знали.

─       Все знают, что вода тяжелая. Почему же она поднимается за поршнем насоса, приводящим в действие наш городской фонтан? (Показ опыта: за поршнем поднимается вода).

Вода поднимается потому, что природа не терпит пустоты, боится пустоты. Когда мы тянем вверх поршень, под ним образуется пустота и вода устремляется в эту пустоту. Вы заметили, что движение жидкости за поршнем объясняется тем, что «природа боится пустоты». Но истинная причина этого явления – давление атмосферы.

─       Какое давление оказывает столб атмосферы на земных обитателей?

─       Почему давление атмосферы составляет 10⁵ Па? Что стало бы с человеком, если бы атмосфера оказывала большее давление? Меньшее давление?

─       С какой силой атмосфера давит на человека?

─       А как человек приспособился к атмосферному давлению?

Человек привык к этой постоянно действующей силе и в нормальном, здоровом состоянии ее не ощущает. Выдерживать атмосферное давление организму помогает уравновешивающее его давление жидкостей, заполняющих сосуды тела. Перенесение организма на другой уровень вызывает расстройство его функций из-за деформации стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление снаружи и изнутри. Другой причиной расстройства функций организма человека является уменьшение количества кислорода в воздухе.

Определенное значение атмосферного давления важно и для физиологии дыхания человека. Если бы барометрическое давление стало больше 8*10⁵ Па, в воздухе, проходящем при дыхании через носоглотку человека, возникал бы сильный турбулентный поток и работа органов дыхания становилась бы утомительной. Давления, меньшие 8,4*10⁴ Па, опасны из-за возможности газового вздутия тела человека, обусловленного образованием в крови пузырьков газа.

При подъеме на высокие горы (с 4000 м) многие люди чувствуют себя плохо, появляются приступы «горной болезни», становится трудно дышать, как бы не хватает воздуха, из ушей и носа нередко идет кровь, можно даже потерять сознание.

Полезную информацию с точки зрения условий выживания человека при изменении давления с высотой дает таблица 12.

Таблица 12.

Зоны переносимости человеком высоты над уровнем моря.

Высота, км

Зона и ее характеристики

Более 8 км (Джомолунгма)   6 – 8   4 – 5 (Эльбрус, Ключевская сопка) 2 – 4     1,5 – 2 (Ай – Петри)

Смертельная доза: человек может находиться на этой высоте без дыхательного аппарата лишь короткое время – 3 мин. На высоте 16 км – 9 с, после чего наступает смерть. Критическая зона: серьезные функциональные расстройства жизнедеятельности организма Зона неполной компенсации: ухудшение общего самочувствия   Зона полной компенсации: некоторые нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, органов чувств и др., которые благодаря мобилизации резервных сил организма быстро исчезают. Безопасная, или индифферентная зона, в которой не наблюдается каких-либо существенных изменений физиологических функций организма.

Так как благодаря атмосферному давлению суставные поверхности плотно прилегают друг к другу, то высоко в горах, где атмосферное давление резко падает, действие суставов расстраивается, руки и ноги плохо «слушаются», легко получаются вывихи.

─       Как мы дышим?

Человек дышит ритмично. С первого и до последнего дня дыхание у него не нарушается, изменяется лишь его частота. Новорожденный ребенок дышит 60 раз/мин, пяти­летний - 25 раз/мин, с 15-летнего возраста устанавливает­ся частота дыхания до 18 раз/мин, а в старости дыхание вновь учащается.

Чем же определяется ритм дыхания и от чего он зависит? Еще в прошлом веке ученые обнаружили в продолговатом мозге участок, разрушение которого вызывало остановку дыхания и даже смерть. Этот участок назвали дыхательным центром. Сначала его именовали даже жизненным центром, потому что от его нормальной деятельности зависит жизнь организма. От дыхательного центра возбуждение регулярно поступает к дыхательным (межреберным) мышцам, и они сокращаются. В результате ребра приподнимаются, кроме того, диафрагма, сокращаясь, опускается, становится почти плоской. Это увеличивает объем легких. Легкие следуют за движениями грудной клетки и расширяются.

─       Что происходит с давлением воздуха в легких? (Ответы учащихся. )

Так как в растянутых легких давление воздуха становится меньше атмосферного, атмосферный воздух устремляется через воздушные пути в легкие. Так происходит вдох.

─       Какая физическая закономерность объясняет данное явление? (Газ движется из области высокого давления в область низкого.)

 Когда возбуждение из дыхательного центра перестает поступать к мышцам грудной клетки, они на некоторое время расслабляются. Грудная клетка при этом спадается, легкие сжимаются.

─       Что происходит с давлением воздуха в легких при этом? (Давление становится высоким.)

Спокойная диафрагма при этом приподнимается в виде купола. Воздух выходит из легких. Происходит выдох. Данная ритмичность определяется работой центральной нервной системы, точнее, ее дыхательным центром. При спокойном дыхании человек вдыхает за один раз около 500 мл воздуха и дышит примерно 18-20 раз/мин.

─       Но что происходит при нагрузке?

Эксперимент. Подсчитаем число дыхательных движений грудной клетки в покое и после 20 приседаний. Итак, мы получили 18 и 30 дыхательных движений. Как вы объясняете эту разницу? (Обобщая ответы, учитель подводит школьников к выводу: работающим органам необходимо большее количество питательных веществ и кислорода, поэтому работа дыхательной и кровеносной систем ускоряется.)

Кроме центральной нервной системы, дыхательный центр регулируется гуморально.

─       Попробуйте задержать дыхание после спокойного выдоха и сосчитайте, сколько времени вы сможете выдержать. Максимально через 50 с, несмотря на все усилия, вы делаете вдох! Почему? (Проблемный вопрос, на который учащиеся затрудняются ответить.)

Это происходит потому, что в организме после выдоха осталось какое-то количество углекислого газа и его количество постоянно повышается, а это раздражает дыхательный центр и вызывает сокращение межреберных мышц, за чем неизбежно следует вдох. Таким образом, углекислый газ выступает биологически активным веществом, на которое реагирует дыхательный центр, обеспечивая гуморальную регуляцию дыхания.

Главное различие вдыхаемого и выдыхаемого воздуха состоит в различном содержании кислорода и углекислого газа.

─       Как происходит газообмен? (Кислород из воздуха, находящегося в альвеолах, переходит в кровь, а углекислый газ покидает кровь и переходит в альвеольный воздух.)

─       Почему происходит переход газов? Почему происходит диффузия?

В любой жидкости есть растворенные газы, которые проникают в жидкость вследствие диффузии. Каждый газ растворяется в жидкости в зависимости от парциального давления. Парциальное давление – это давление, которое производил бы конкретный газ, если бы остальные газы в воздухе отсутствовали.

Рассмотрим диффузию кислорода и углекислого газа в легких и тканях, фиксируя основные моменты в таблице 13.

Таблица 13.

Так как парциальное давление кислорода в альвеолах выше (110 мм рт. ст.), чем в протекающей венозной крови (545 мм рт. ст.), то кислород из альвеол из-за разности давлений переходит в кровь. Так происходит в легких. Так как парциальное давление углекислого газа в венозной крови выше, чем в альвеолах, то углекислый газ переходит в альвеолярный воздух, пока не установится относительное равновесие. Газообмен в тканях происходит аналогично за счет разницы парциальных давлений газов (за счет разницы их концентраций) и протекает за счет диффузии.

Давайте ответим на некоторые «Почему?», связанные со строением и функциями дыхательной системы.

·         Известно, что сердце и мозг очень чувствительны к недостатку кислорода, поэтому удушье или остановка сердца в течение нескольких минут приводят к необратимым изменениям в тканях. Кошка, собака и другие наземные млекопитающие умирают через несколько минут после погружения в воду. Утка выдерживает до 10-20 мин, тюлень более 20 мин, а кашалоты более часа. Почему?(Версии ребят.)

Опыты показали, что во время ныряния у водных животных резко замедляется сердечный ритм (примерно в10 раз). Это позволяет в условиях кислородного голодания значительно сократить расход кислорода сердцем - основным его потребителем в организме. При этом диаметр сосудов и других органов значительно уменьшается. Такой механизм регуляции кровообращения при нырянии вырабатывается и у людей в результате тренировок. Например, ловцы жемчуга могут находиться подводой несколько минут, погружаясь на глубину до 30 м. Кроме того, при этом увеличивается максимальный объем выдыхаемого воздуха после глубокого вдоха (он зависит от возраста и физического состояния, а в среднем составляет 3,5 л).

·         На какую глубину нужно нырнуть, чтобы попасть в область, где давление будет вдвое больше, чем у поверхности?

·         Оцените глубину, на которой давление воды на грудную клетку ныряльщика уравновешивается давлением воздуха в ней.

·         Существует ли предельная глубина, до которой ныряльщик может дышать через трубку воздухом с поверхности?

·         Рекордной глубиной погружения человека под воду без акваланга является 105 м. Какое давление испытывает человек на такой глубине?

·         В январе 1960 г. люди в батискафе достигли дна Марианской впадины, глубина которой 11 км, но до сегодняшнего дня на глубине 1 км человек оставил меньше следов, чем на поверхности Луны. С чем это связано? (Версии ребят. )

Природа наделила нас легкими, которыми пользоваться в морских глубинах невозможно. Мировой океан, глубина которого в среднем около 3 км, а площадь поверхности составляет примерно 70 % от всей площади поверхности планеты, до сих пор остается практически не изученным. Самым первым приспособлением для длительного пребывания под водой была длинная трубка, соединяющая рот человека с атмосферой.

Дыхательной трубкой пользовались еще древние греки, римляне, славяне. Судя по романам Ф.Купера, индейцы тоже, умели прятаться от врагов под водой, дыша через пустотелую камышинку. Однако дышать таким способом можно лишь на глубине не более 1,5 м. На большей глубине разность между давлением воды, сжимающим грудную клетку, и давлением воздуха внутри нее так возрастает, что мы не сможем сделать вдох и наполнить легкие свежим воздухом. Поэтому аквалангисты пользуются баллонами со сжатым воздухом. При погружении аквалангист следит за глубиной, соответственно изменяя давление в баллонах.

Опыт показывает, что с помощью аквалангов можно погружаться на глубину не более 40 м. глубина погружения без акваланга, равная 105 м, - уникальное достижение мирового рекордсмена француза Ж.Майоля. Упомянем и о некоторых других ныряльщиках профессионалах. Это знаменитые японские морские девы «ама», которые уже свыше 2000 лет ныряют на глубину от 15 до 24 м; ловцы жемчуга с островов Тихого океана, опускающиеся на глубину до 42 – 45 м; греческие охотники за губками, уходящие за своей добычей в бездну на  55 – 60 м. для обычных, нетринерованных людей врачи считают предельной глубиной погружения около 20 м. За этим барьером происходит растяжение правых полостей сердца и отек легких, вызывающий потерю сознания и гибель людей. На большей глубине давление воздуха уже должно быть 5 атм, при этом концентрация кислорода более чем в 5 раз превышает его концентрацию в атмосфере, что вызывает кислородное отравление. Токсическое действие кислорода сопровождается нарушением координации движений, памяти, внимания. А надо опускаться глубже и глубже, например, чтобы устанавливать и заменять нефтяные вышки в море, где нефть дешева, т.к. залегает на небольшой глубине. На глубинах более 40 м водолаз дышат смесью кислорода и гелия.

Однако трудности подстерегают аквалангиста не только под водой, но и при подъеме. Водолазы, быстро поднимающиеся с большой глубины, вскоре начинают страдать от сильной боли в суставах. Эта профессиональная болезнь водолазов получила название «кессонной». В чем причина заболевания? Повышение давления вдыхаемой воздушной смеси увеличивает количество газов, растворенных в жидкостях организма. При слишком быстром подъеме человека с глубины газ, которым были насыщены кровь и мягкие ткани тела, начинает из них выделяться. Пузырьки газа попадают в кровь, вызывая закупорку кровеносных сосудов. Но кессонную болезнь можно предотвратить, если не торопиться с подъемом. При этом давление снижается постепенно и пузырьки не образуются. Процесс постепенного снижения давления, предпринимаемый с целью предотвращения кессонной болезни, называется декомпрессией. Рассмотрим особенности движения крови по сосудам.

Таблица 14.

Движение крови по сосудам.

Сосуды пронизывают все участки нашего тела. Самый крупный сосуд – аорта, площадь ее поперечного сечения 5 см². сердце – насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Движение крови по венам обеспечивается рядом факторов: работой сердца, клапанным аппаратом вен, мышечным насосом и др. Вены верхних и нижних конечностей снабжены клапанами, а глубокие вены окружены мышцами. При физической нагрузке мышцы действуют как насосы, оказывая давление на вены снаружи. Чем чаще и активнее движения, например при ходьбе, тем эффективнее «насосное действие» мышц. Правда, сокращение мышц, пережимая сосуды, затрудняет кровоток. Но если сокращения носят перемежающийся характер, то уменьшение кровотока во время фазы сокращения эффективно компенсируется за счет кислорода, связанного с миоглобином. Поэтому во время ритмичной нагрузки, возникающей при беге, ходьбе на лыжах, езде на велосипеде кровоснабжение мышц конечностей намного увеличивается. Сокращение мышц брюшного пресса ведет к вытеснению значительного количества крови из сосудов печени, кишечника и селезенки, увеличивая приток крови к сердцу и тем самым влияя на сердечный выброс.

Рис. 20. Кожные вены нижних конечностей. схема мышечного насоса: а – спереди; б – сзади; в – схема мышечного насоса: 1 – поверхностная окружающая подвздошную кость; 2 – место впадения большой подкожной вены; 3 – большая подкожная вена; 4 – венозное сплетение тыла стопы; 5 – поверхностная надчревная вена; 6 – наружные срамные вены; 7 – малая, или задняя, подколенная вена голени; 8 – венозная подошвенная сеть; г – вены: 1 – венозные клапаны; 2 – артерия; 3 – вена.

─        Какое строение имеют стенки вен?

─       Как движется кровь по венам?

─       Чем объяснить, что давление крови с удалением от левого желудочка сердца падает?

─       Вспомним: за какое время совершает кровь свой путь по большому кругу?

По различным участкам кровеносного русла кровь течет с различной скоростью. В аорте она наибольшая – 20 см/с. В капиллярах наименьшая – 0,1 см/с. Скорость движения крови в венах по мере приближения к сердцу постепенно увеличивается до 20 см/с.

─       Почему же происходит изменение скорости движения крови по сосудам?

Данное явление не связано с силами трения, так что этим объяснить увеличение скорости кровотока в венах невозможно. Для правильного ответа необходимо рассмотреть уравнение швейцарского физика Даниила Бернулли.

Сердечно-сосудистая система человека подобна разветвленной системе труб различного сечения, по которой течет под действием работающего, как насос сердца. При движении жидкости в замкнутой системе ее накопления ни в какой определенной точке не происходит, а следовательно, можно говорить об одной и той же массе жидкости, проходящей за время t через трубы сечением S₁ и S₂: . Масса вещества определяется плотностью и объемом, следовательно: . Объем жидкости определяется сечением трубы и перемещением, пройденным ею за время t:. Движение считаем равномерным, поэтому: . Уравнение непрерывности жидкости: . Из уравнения Бернулли следует: чем больше сечение трубы, тем скорость течения жидкости по ней меньше.

·         Радиус аорты равен примерно 1 см. Кровь движется в аорте со скоростью 30 см/с. Вычислите скорость тока крови в капиллярах, если известно, что суммарная площадь сечения капилляров составляет около 0,2 см2.

·         Насколько отличается давление крови на уровне макушки и у подошв человека ростом 1,6 м, стоящего прямо?

Возвращаясь к кровеносной системе человека, зададимся вопросом:

─       Можно ли проследить данную закономерность в движении крови по сосудам?

─       Можно ли утвердительно сказать, что чем уже кровеносный сосуд, тем скорость тока в крови в нем больше?

Т.к. артерии постепенно ветвятся, каждая из них имеет все меньшее сечение, но, поскольку число их резко возрастает, общая ширина кровеносного русла значительно увеличивается, а, следовательно, скорость течения крови уменьшается.

─       Почему увеличивается скорость крови в венах?

Капилляры собираются в вены, общая ширина кровеносного русла уменьшается, поэтому движение крови в венах по мере приближения к сердцу становится все более быстрым.

─       Сердце представляет собой насос, работающий с частотой 60 Гц, следовательно, струя должна быть прерывистой, а она непрерывна пульсация сглаживается. Почему это происходит?

При сокращении мышц вены в них сжимаются, что немедленно приводит к увеличению притока крови к правому желудочку (мышечному насосу). Увеличение оттока венозной крови из мышц нижних конечностей способствует быстрому заполнению сердца и, кроме того, повышает давление перфузии в нижних конечностях за счет снижения давления в венах голени и ступни.

Активация мышечного насоса сопровождается изменениями в посткапиллярных сосудах (в основном в венах) системного кровообращения. Физические упражнения вызывают рефлекторное увеличение напряжения стенок венозных сосудов как в работающих, так и в неработающих конечностях. Это напряжение сохраняется в течение всей нагрузки и пропорционально степени ее тяжести.

Упругость венозной системы в сочетании с мышечным насосом нижних конечностей и абдомино-торакальным насосом способствует оттоку венозной крови и тем самым поддерживает на одном уровне или повышает давление наполнения в правом желудочке, увеличивает объем крови в легких и способствует наполнению левого желудочка. При увеличении физической нагрузки происходит рефлекторное сужение сосудов мышц, находящихся в покое. Очевидно, рефлекторное сужение сосудов, вызванное нагрузкой, все же препятствует кровотоку, поскольку в дальнейшем, в конце нагрузки он быстро и в значительной степени возрастает, несмотря на снижение артериального давления. Когда нагрузка выполняется в условиях высокой температуры окружающей среды, подобные взаимоотношения возникают между температурной реакцией и увеличением кровотока в активных мышцах.

Кровоток в печени и во внутренних органах уменьшается обратно пропорционально интенсивности упражнений. Артериовенозная разница по кислороду в печени во время физической нагрузки увеличивается, причем большее увеличение возникает при выполнении большей физической нагрузки.

Установлено, что в покое венозное давление равно 60-80 мм рт. ст. Уровень венозного давления закономерно меняется от приема фармакологических препаратов, температурных влияний, физических нагрузок, изменений внутрибрюшного давления и других факторов. На давление в венах и венозный возврат влияют также сила тяжести крови, тонус вен и насосная функция скелетных мышц.

Считается, что в вертикальном положении тела гидростатическое давление в венах нижних конечностей увеличивается, что ведет к уменьшению сердечного выброса. Однако этому частично противодействует насосная функция скелетных мышц, уменьшающая гидростатическое давление. При сокращении мышц кровь проталкивается по направлению к сердцу, а ее обратному току препятствуют венозные клапаны.

Ходьба или даже движение ногами в исходном положении лежа приводят в действие «мышечный насос» нижних конечностей, уменьшающий влияние гидростатического давления и разницу давления между венами ног и сердцем. В результате венозное давление снижается.

Физические нагрузки ведут к повышению венозного давления в большей степени в таких видах спорта, как тяжелая атлетика, борьба и др., Связанных с напряжением, поднятием тяжести и пр., а равномерный бег, лыжные прогулки, плавание ведут к снижению венозного давления. Посещение сауны (бани) в сочетании с теплыми ваннами, особенно у занимающихся циклическими видами спорта (бегуны-стайеры, пловцы, лыжники и др.), тоже ведут к снижению венозного давления.

3. Обсуждение содержания урока. Составить синквейн к словам «Дыхание» или «Кровь».

Если следовать правилам, может получиться, например, такой синквейн:

5. Домашнее задание:  Выполнить лабораторную работу № 7, 8.

 

Колебания и человек.

Цель занятия: - познакомить учащихся с колебательными процессами, происходящими в теле человека.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Подготовительный этап.	1 – 2	Сообщение учителя.
2. Актуализация знаний.	5 – 10	Ответы на вопросы.
3. Изучение нового материала	20 – 25	Работа с дополнительной литературой. Сообщения учащихся.
4. Формирование умений.	10	Коллективное решение задач.
5. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Объяснение целей и задач урока, формирование групп и раздача рабочего материала.

2. Игра «Блиц – опрос»: учитель задает вопросы каждой группе. В случае неправильного ответа вопрос переходит к другой группе. Учитель оценивает ответы учащихся, деятельность групп, оригинальность идеи, даже попытку объяснения с помощью жетонов: личный жетон – красный, групповой – оранжевый. Ученик и все члены группы, набравшие наибольшее количество жетонов, в конце урока получают «5».

─       Какие движения называются колебательными?

─       Что называют колебанием тела?

─       Что называют амплитудой колебания?

─       Что называют периодом колебаний?

─       Что называют частотой колебаний?

─       Напишите формулу, устанавливающую связь между циклической и линейной частотой?

3. Школьники изучают информацию используя дополнительную литературу, аккумулируют ее, после чего проводят «информационный бой» - обсуждение с другими группами. (по 5 минут на группу).

·         1 – я группа. Биоритмы человека.

В организме человека происходят колебательные процессы, это так называемые биологические ритмы, или биоритмы. Они – то и представляют собой часы, которые невозможно ни увидеть, ни услышать. Что же делают эти биологические часы внутри нас? Хронобиологии обнаружили в человеческом организме более 500 ритмически меняющихся реакций. Одни совершают свой цикл за доли секунды или минуты (колебания биотоков мозга, сокращение сердечной мышцы), другие растягиваются на несколько часов, месяцев, лет. Например, на органы нервной системы человека влияют периоды солнечной активности, пик которых приходится на 11 – й год цикла.

Рис. 21.

Самое мощное проявление активности Солнца – это вспышки, т.е. взрывы, вызванные внезапным сжатием солнечной плазмы. Оказалось, что активность Солнца непосредственно влияет на характер многих происходящих на Земле процессов. И их минимумы и максимумы совпадают с периодичностью солнечной активности. Например, периодичность солнечных пятен и параллелизм числа пятен и магнитных возмущений иллюстрирует рисунок., а зависимость численности заболеваний и смертных исходов от вариаций геомагнитного поля и смертность от заболеваний в периоды магнитных бурь – рисунок .

 

Рис.22

Самым наглядным является суточный цикл. Считается, что сутки – как бы маленькая модель года. То есть за 24 часа человек проживает зиму, весну, лето, осень. Зимой резко замедляются биологические процессы в природе, многие животные впадают в спячку. Этому времени года соответствует ночь, когда организм отдыхает, снижается частота пульса, дыхание становится реже, снижается частота пульса, дыхание становится реже, понижается давление. Весна – утро жизни. Человек пробуждается, открывает веки, на сетчатку его глаза попадает свет.

И тут же активизируется головной мозг, учащается дыхание, из лёгких в кровь поступает больше кислорода, ткани организма освобождаются от накопившихся за ночь шлаков. Постепенно в течение суток то усиливается, то снижается обмен веществ, что отражается на состоянии, настроении, работоспособности.

Учёные путём долгих наблюдений и подробных исследований доказали, что существует единый внутренний график для всех людей. Так, с 10 ч утра до15 ч - период активной деятельности человека, мозг в это время работает наиболее эффективно. С 13 до 14 ч больше всего выделяется желудочного сока – это время обеда. Час роста, когда быстрее всего растут волосы и ногти, приходится на период с 16 до 17 ч. А время чувств, когда обостряется слух, вкус и обоняние, длится с 17 до 18 ч. С 20 ч многие начинают вспоминать о своих неосуществлённых планах, печалиться об упущенных возможностях, острее, чем в другое время, переживают одиночество. Это час тоски. Но затем, если взять себя в руки, сквозь тучи внутренних переживаний пробивается луч надежды. Настроение выравнивается, можно подумать о завтрашнем дне. Это благодатное время длится до 23 ч. Однако после 23 ч в организме активизируется работа печени и желчного пузыря, человек может стать раздражительным, агрессивным. Поэтому, чтобы не поссориться с кем-нибудь, стоит лечь спать. К тому же время сразу после полуночи - это «час слепоты», когда работа глаз требует дополнительного напряжения, а зрение перенапрягать не стоит.

·         2 – я группа. Дыхание.

Каждый из нас ежеминутно производит 16 – 18 дыхательных движений. Смысл их в том, чтобы обеспечивать внешнее дыхание – первый этап доставки кислорода и последний этап удаления углекислого газа из организма. Но ведь кислород нужен не только клеткам легких, и не только эти клетки нуждаются в удалении углекислого газа. То же требуется организму, всем остальным клеткам. Посредником в обмене газами между воздухом легких и всеми «страждущими» служит кровь. В клетках идет заключительный этап внутреннего, или тканевого дыхания: вдох и выдох регулируются особым отделом продолговатого мозга человека – дыхательным центром. В каждом полушарии дыхательный центр свой – это дополнительная страховка природы на случай повреждения мозга при травме или кровоизлиянии.

·         3 – я группа. Сердце.

Сердце – главный орган кровообращения. Нынче это столь очевидно, что споры прежних веков о его предназначении кажутся нелепыми: в Древнем Китае верили, что сердце участвует в пищеварение, в Египте были убеждены, что оно причастно к образованию мочи, а также грудного молока, семенной жидкости и слез, древние египтяне, индийцы, арабы и греки полагали, что сердце – вместилище души.

Сердце начинает функционировать задолго до рождения и прекращает работу последним. У человека оно начинает биться на 18 – й день после зачатия – в крохотном, не больше горошины, комочек клеток, - и совершает одно сокращение в секунду, у новорожденного пульс учащается до 140 ударов в минуту. Постепенно пульс становится более редким и у взрослого человека составляет в в среднем 76 ударов в минуту в покое, учащаясь при усиленной работе примерно в 2,5 раза. Частотой сердечных сокращений называется количество сокращений желудочков сердца в 1 минуту. Она регистрируется на электрокардиограмме в состоянии покоя и после физической нагрузки. В состоянии покоя частота сердечных сокращений зависит от пола, возраста, позы (вертикальное или горизонтальное положение тела, в первом случае частота пульса больше).она несколько возрастает с возрастом. При мышечной нагрузке частота сердечных сокращений увеличивается.

Таблица 15.

Частота сердечных сокращений.

Сердце человека за всю жизнь продолжительностью 70 лет совершает примерно 3 млрд сокращений. В минуту сердце взрослого человека, находящегося в относительном покое, прокачивает около 6 л крови, за день – 6 – 10 тыс.л, за всю жизнь – 150 – 250 млн.л.

По артериям кровь течет от сердца, а по венам – к сердцу. Стенки артерий эластичны, поэтому они хорошо растягиваются и сокращаются в ответ на колебания артериального давления, возникающие при сокращении сердца. Эти колебания, или пульс, мы можем прощупать у себя на запястье, положив палец на лучевую артерию. Разветвляясь, артерии переходят в капилляры. Общая длина капилляров тела 100 тыс.км. если их вытянуть вдоль экватора, можно обмотать земной шар 2,5 раза.

Сердце располагается в грудной полости сразу позади грудины. В левой половине грудной полости находится две трети сердца, а одна треть лежит справа. Чтобы узнать размеры сердца, достаточно сжать кисть в кулак. Масса сердца взрослого человека составляет примерно 1/200 массы тела – около 300 г. широкое основание сердца направлено вверх и назад, а суженная верхушка – вниз, вперед и влево.

4. Работа в группах над решением задач.

·         Цикл вдоха – выдоха у ребенка – 35 раз в минуту, 20 раз у подростка и 15 раз у взрослого человека. В среднем наш дыхательный ритм выглядит так: тысячу раз в час, т.е. 24 тыс. раз в день, или 9 млн раз в год. Как отличаются период и частота дыхания ребенка и взрослого человека?

·         Оцените частоту строевого шага (120 шагов в минуту).

·         Время кругооборота крови у краба 37 – 65 с, у кролика – 7,5 с, у собаки – 16 с, у человека – 20 – 25 с. Сравните частоты кругооборота крови у этих живых организмов.

·         Наше сердце – это насос, работающий в импульсном режиме с частотой около 1 Гц. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце взрослого человека успевает вытолкнуть из себя в аорту около 0,1 дм³ крови. Полный оборот крови через оба круга кровообращения совершается за 21 – 22 с. Составьте задачу по приведенным данным.

Оценивание работы учащихся, обобщение и завершение урока.

5. Домашнее задание:  Выполнить лабораторную работу № 9.

 

Звук

Цель занятия: - изучение морфологических и анатомических особенностей голосового аппарата человека, механизма голосообразования у человека, характеристик индивидуальных особенностей голосов различных людей.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Актуализация знаний.	10 – 12	Фронтальное повторение.
2. Изучение и освоение нового материала	20 – 25	Беседа. Работа с дополнительной литературой. Постановка и объяснение опыта.
3. Формирование умений.	10	Коллективное решение задач.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Повторение физического материала.

─       Что является источником звука? Какие виды источников звука вы знаете? (естественные и искусственные источники звуков) Демонстрация: звук, издаваемый при выходе воздуха из надутого воздушного шарика, и его изменение при увеличении или уменьшении отверстия, из которого он выходит.

─       Какие физические величины характеризуют звук? (амплитуда, частота, длина волны)

─       От чего зависит высота звука?

─       Демонстрация: зависимость высоты звука от степени натяжения струны гитары

─       От какой величины и как зависит громкость звука?

─       При каком условии возникает резонанс?

─       Что такое тембр?

Повторение биологического материала.

─        Учащимся предлагается заполнить схему № 1.

2. Организация деятельности при изучении нового материала может быть такой.

Учитель: Эпиграфом к нашему сегодняшнему уроку стали слова И.С.Тургенева: «Я, признаюсь, редко слыхивал подобный голос: он был слегка разбит и звенел, как надтреснутый; он даже сначала отзывался чем-то болезненным; но в нем были и неподдельная глубокая страсть, и молодость, и сила, и сладость, и какая-то увлекательно-беспечная, грустная скорбь. Русская, правдивая, горячая душа звучала и дышала в нем и так хватала вас за сердце, хватала прямо за его русские струны». (Рассказ «Певцы» из «Записок охотника».)

Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканьем часов и гулом моторов, шелестом листьев и завыванием ветра пением птиц и голосами людей, музыкой. О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Заметили, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий ученый Аристотель исходя из наблюдений, верно объяснил природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющая струна то уплотняет, то разряжает воздух, благодаря упругости которого эти чередующиеся воздействия передаются в пространство от слоя к слою, вызывают упругие звуковые волны.

Камертон дает чистый звук, но пресный и не совсем приятный для восприятия. Маленький смычек пиликнул на скрипке, кто-то нечаянно задел струну гитары – и мы уже отмечаем про себя: звучит музыкальный инструмент. Музыкальная пауза – ученица играет на флейте – микрофон подключен к осциллографу, на экране которого можно проследить высоту тона от частоты, громкость звука от амплитуды.

Природа одарила человека таким замечательным органом как гортань – источник звука. (Заслушивается сообщение ученицы “Причины голосообразования”).

1. Причины голосообразования.

Голосом можно передать тончайшие оттенки душевного состояния человека. Так что же такое человеческий голос?

Вы, наверное, думаете: «Что такое голос, объяснять не надо – это знает всякий». Так? Но слово это имеет не одно значение. Голосом музыканты называют отдельную партию в хоре, ансамбле, оркестре. Но чаще всего голосом называют звуки, производимые голосовым аппаратом и служащие для общения между людьми.

Голоса бывают разные: речевые, певческие, шепотные. Все они в свою очередь характеризуются глубокой индивидуальностью. Предлагаю вам послушать несколько отрывков из известных музыкальных произведений.

Голос обеспечивается колебанием сомкнутых голосовых связок под влиянием струи выдыхаемого воздуха. Высота голоса зависит от частоты колебания голосовых связок, а та, в свою очередь, обусловлена длиной, толщиной и напряжением. У мужчин длина голосовых связок 20 –24 мм, у женщин 18 – 20 мм. Чем длиннее и толще голосовые связки, тем голос ниже. Вот почему у мужчин голос ниже, чем у женщин.

Голоса мальчиков и девочек практически не различаются, только в подростковом возрасте голос начинает меняться, происходит его мутация, связанная с перестройкой гортани. Во время мутации голоса у мальчиков щитовидный хрящ, загнутый внутрь, расправляется, становится заметным кадык. Это ведет к удлинению голосовых связок и снижению тембра голоса. В это время напрягать голос (громко разговаривать, петь, кричать) нельзя, т. к. могут произойти изменения, в результате которых может нарушиться формирование голосового аппарата.

Громкость голоса зависит от амплитуды колебаний голосовых связок: чем сильнее они колеблются, тем голос громче. Неумелые певцы пытаются получить громкий звук за счет форсированного, интенсивного выдоха. Но поступать так нельзя: можно просто сорвать голос. Певцов и дикторов учат специальным приемам дыхания, позволяющим им управлять воздушной струей при выдохе в моменты речи или пения.

Демонстрация: зависимость громкости звучания струны гитары от амплитуды колебаний.

После сообщения ученица задает вопросы классу по изложенному материалу, завязывается диалог, просматривается и валелогическая сторона. Например, такой вопрос: “Почему, когда у человека болит горло, он говорит хриплым голосом?”

─       Чем же различаются голоса?

─       Чем, вообще, различаются наши голоса, ведь мы чаще всего безошибочно узнаем человека по его голосу? (Учащиеся предлагают ответы на эти вопросы.)

Человеческие голоса отличаются индивидуальной окраской, высотой, подвижностью, громкостью, особенностями произношения слов и т.д. Все эти специфические качества человеческого голоса объясняются уникальностью голосового аппарата, т.е. системы органов, служащей для образования звуков голоса и речи.

На сегодняшнем уроке, посвященном голосовому аппарату и голосу человека, мы познакомимся с морфологическими и анатомическими особенностями голосового аппарата, с механизмом его функционирования, а также с определенными правилами поведения, соблюдение которых обеспечит каждому из нас сохранение здорового голосового аппарата и голоса.

Задания для первой группы

Прочитайте внимательно предложенный вам текст, ответьте на вопросы и подготовьтесь к их обсуждению.

ТЕКСТ

Голосовой аппарат человека состоит из легких, гортани с голосовыми связками, глоточной, ротовой и носовой полости (рис. 23, а, б). Голосовые связки С являются звукопроизводящими частями голосового аппарата. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохождения воздуха (рис. , в). При разговоре голосовые связки напрягаются и приближаются друг к другу так, что между ними остается лишь узкий промежуток, так называемая голосовая щель (рис. , г). Когда воздух, выдыхаемый легкими, проходит через эту щель, голосовые связки приходят в колебание, причем частота колебаний может изменяться в зависимости от степени напряжения связок, впрочем, в довольно узких границах. Звуковые волны, образующиеся в голосовой щели, весьма сложны и представляют собой наложение большого числа всевозможных тонов. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов. Изменяя форму этих полостей путем соответствующего расположения языка, зубов и губ, мы можем усиливать по желанию отдельные тоны звуковой волны, идущей из голосовой щели, и произносить тот или иной звук.

Рис. 23

Голосовые связки с различно установленными резонансными полостями рта и глотки наиболее сильно колеблются при произношении гласных звуков. При образовании согласных звуков мягкое нёбо, кончик языка и губы приходят в самостоятельные колебания на различных участках. Эти колебания или сами по себе, или в соединении со смесью звуков, производимых голосовыми связками, образуют согласные звуки человеческой речи. Для речи человека достаточно 4--6 тонов октавы. При пении диапазон значительно шире.

Таблица 16.

Имеются значительные возрастные и половые особенности гортани. Рост и функция гортани связаны с развитием половых желез. У детей гортань расположена выше, чем у взрослых (нормальное положение устанавливается к 13–14 годам жизни), а у стариков ниже; у женщин несколько выше, чем у мужчин, причем в среднем длина гортани мужчины (44 мм) на 1/3 больше женской (35 мм). У новорожденного ребенка гортань относительно велика. В течение первых 4–5 лет жизни ребенка она растет несколько медленнее трахеи. После шести лет рост гортани замедляется, но перед наступлением половой зрелости у мальчиков рост ее ускоряется и размеры стремительно увеличиваются. В это время изменяется голос мальчиков (мутация голоса).

─        Какова роль органов дыхания в образовании звуков голоса и речи?

─        Где у человека непосредственно возникают звуковые колебания?

─        Какие вам известны возрастные и половые особенности гортани?

Как вы думаете, почему человеческую гортань называют «самым прекрасным музыкальным инструментом»? (Гортань подобно музыкальным инструментам создает звуки, отличающиеся исключительным разнообразием у разных людей и у одного и того же человека. Работа гортани, как и всего голосового аппарата, поддается нейрофизиологической «настройке».)

Задания для второй группы

Прочитайте внимательно предложенный вам текст, ответьте на вопросы и подготовьтесь к их обсуждению.

ТЕКСТ

Голос человека характеризуется многими параметрами. Среди которых тоновый (частотный) диапазон, громкость, окраска (тембр) и т.д. в двух формах проявления человеческого голоса – пении и речи – качества голоса проявляются несколько различно. Частотный диапазон речи составляет всего лишь 1/10 от общего диапазона голосовых частот. Обычно же голос человека включает в себя частоты от 64 до 1300 Гц. Специальными вокальными упражнениями этот диапазон можно расширить в основном за счет повышения верхней тоновой границы. Самый низкий тон, который может быть взят человеческим голосом, - это «фа» контроктавы с частотой 43,2 Гц. Самым высоким тоном является «фа» третьей октавы» (1354 Гц) из знаменитой арии царицы Ночи в «Волшебной флейте» В.А.Моцарта. Однако, некоторые певицы сумели превзойти этот результат: им оказались доступны частоты 2069 Гц и даже 2300 Гц.

Громкость (мощность) голоса человека меняется в широких пределах в зависимости от ситуации. Например, в интимном разговоре уровень интенсивности (звукового давления) равен примерно 30 дБ, при вспышке гнева он возрастает до 60 дБ. В помещении уровень интенсивности звука голоса оратора должен быть равен 55 дБ, а на открытом воздухе - 80 дБ. У певцов уровень интенсивности звука составляет 30 - 110 дБ и даже 130 дБ на расстоянии 1 м от поющего. Подобные значения интенсивности звука не могут быть достигнуты ни одним музыкальным инструментом с вибрирующими частями.

Данные об уровне интенсивности звуков различных источников приведены в таблице 17.

Таблица 17.

Звуковое давление и уровень интенсивности звука в различных случаях

Амплитуда звукового давления, Па	Уровень интенсивности звука, дБ	Примерные условия, соответствующие данным таблицы
2*103   2*102   ? 2 ?   ? 2*10-2 2*10-4 2*10-5	160   140   120 100 75   70 60 20 0	Механическое повреждение барабанной перепонки Реактивный самолет на расстоянии 30 м (болевое ощущение) Рок – музыка в закрытом помещении Поезд метро Шум в салоне автомобиля, движущегося со скоростью 100 км/ч Интенсивное уличное движение Нормальный разговор Очень тихий шепот Порог слышимости.

Следующая важная характеристика голоса - его тембр, Т.е. набор спектральных линий, среди которых можно выделить пики, состоящие из нескольких обертонов, - так называемые форманты. Именно форманты определяют секрет индивидуального звучания голоса и позволяют распознавать речевые звуки, так как у разных людей форманты даже одного и того же звука отличаются по частоте, ширине и интенсивности. Тембр голоса строго индивидуален, поскольку в процессе звукообразования важную роль играют специфические для каждого индивидуума резонаторные полости глотки, носа, околоносовых пазух и т.д. Неповторимость человеческого голоса можно сравнить лишь с неповторимостью узора отпечатков пальцев. Во многих странах мира магнитофонная запись человеческого голоса считается неоспоримым юридическим документом, подделать который невозможно.

Спектры голосов певцов отличаются от спектра голоса обычного человека: в них сильно выражена высокая певческая форманта, т.е. обертоны с частотами 2500 – 3000 Гц, придающие голосу звонкий оттенок. У выдающихся певцов они составляют в спектре до 35 и более процентов, в то время как у опытных – 15 – 30%, а у начинающих – 3 – 5%.

─       Дополните недостающими данными таблицу.

─       Оцените выходную мощность нормальной разговорной речи. Воспользуйтесь таблицей. Считайте, что звуки распространяются равномерно в полусфере вокруг рта человека. Сколько человек должны одновременно разговаривать, чтобы создать звук выходной мощностью 100 Вт?

─       Воспользуйтесь таблицей, определите: а) во сколько раз интенсивность звука при громком пении больше интенсивности обычной речи; б) во сколько раз интенсивность обычной речи больше интенсивности шепота.

Задания для третьей группы

Прочитайте внимательно предложенный вам текст, ответьте на вопросы и подготовьтесь к их обсуждению.

ТЕКСТ

Ухо подразделяется на три отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо. Залегает ухо в височной части черепа. Наружное ухо включает ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина состоит из эластического хряща, его нет только в ушной мочке. Наружный слуховой проход выстлан железами, выделяющими ушную серу. От среднего уха он отделен барабанной перепонкой. В среднем ухе помещаются слуховые косточки, соединенные друг с другом: молоточек, наковальня и стремечко. Полость среднего уха называется барабанной полостью, она выстлана слизистой оболочкой. При помощи евстахиевой трубы она сообщается с носоглоткой, а на внутренней стенке полости среднего уха имеются два отверстия: круглое и овальное. Круглое отверстие прикрыто перепонкой, овальное – стремечком. По слуховой трубе в барабанную полость попадает воздух, благодаря чему уравновешивается давление на барабанную перепонку со стороны барабанной полости с внешним давлением воздуха. Внутреннее ухо имеет сложную форму и в нем различают два лабиринта – костный и перепончатый.

Костный лабиринт включает улитку, преддверие и три полукружных канала. Улитка образует 2,5 оборота вокруг костного стержня. Преддверие находится между улиткой и полукружными каналами и представляет полость овальной формы. Полукружные каналы располагаются взаимноперпендикулярно по отношению друг к другу. Перепончатый лабиринт располагается внутри костного, стенки перепончатого лабиринта состоят из плотной соединительной ткани. Между костным и перепончатым лабиринтом находится жидкость – перилимфа, в перепончатом лабиринте тоже находится жидкость – эндолимфа. Перепончатый канал улитки на поперечном разрезе имеет треугольную форму и соответственно три стенки – пластинки. Одна пластинка сращена с костной стенкой улитки, другая разделяет улитковый ход и лестницу преддверия, третья – улитковый ход и барабанную лестницу улитки. Барабанная лестница улитки состоит из большого количества фиброзных волокон – слуховых струн, натянутых в поперечном направлении. В улитковом ходе на слуховых струнах находится так называемый кортиев орган, состоящий из эпителиальных клеток различной формы, среди которых есть чувствительные слуховые клетки. На этих слуховых клетках оканчиваются волокна нерва улитки – таким образом, кортиев орган является звуковоспринимающим аппаратом внутреннего уха. Преддверие и полукружные каналы вместе составляют вестибулярный аппарат, в котором также имеются чувствительные клетки.

Рис. 24. 1 – слуховой проход; 2 – барабанная перепонка; 3 – среднее ухо; 4 – молоточек; 5 – наковаленка; 6 – стремечко; 7 – полукружные канальцы; 8 – улитка; 9 – евстафиева труба.

 

Вестибулярный аппарат является органом восприятия положения и движения тела в пространстве. К чувствительным клеткам вестибулярного аппарата также подходят нервные волокна. Звук проходит через слуховой провод и вызывает колебания барабанной перепонки, которые передаются через косточки среднего уха, овальное окно жидкости, находящейся в канале преддверия. Поскольку жидкости несжимаемы, жидкость преддверия передает колебания на круглое окно, как бы вызывая выбухание его. Звуковая волна, таким образом передается на перилимфу внутреннего уха, а колебания перилимфы, в свою очередь, вызывают через стенку перепончатого канала улитки колебания эндолимфы, которые передаются на кортиев орган. Этот орган состоит из пяти рядов клеток с выступающими волосками: ряды клеток тянутся вдоль спирали улитки по всей ее длине. В каждом кортиевом органе около 24000 таких клеток, расположенных на базилярной мембране, отделяющей канал улитки от барабанного канала. Над волосковыми клетками нависает другая мембрана – текторальная, прикрепленная одним своим краем к мембране, на которой расположены волосковые клетки, остальной кран мембраны остается свободным. Возникающие в волосковых клетках импульсы распространяются по волокнам слухового нерва. Движения базилярной мембраны при пульсациях вызывают трения волосковых клеток кортиева органа о нависающую над ним текторальную мембрану, раздражая окончания дендритов слухового нерва, лежащие у основания каждой волосковой клетки.

Звуки разной высоты (частоты) вызывают вибрацию определенных волосковых клеток. Высота звука зависит от частоты колебаний воздуха в секунду. Высокие тоны (тонкие звуки и голоса) имеют большую частоту колебаний, а низкие тоны (грубые, басистые звуки и голоса) – меньшую частоту колебаний. Чем больше величина колебаний, тем сильнее звук(сила звука). Тембр – особенность звука, благодаря которой человек может различать даже звуки одинаковой силы и высоты, но произведенными разными инструментами, например скрипки и пианино.

Человеческое ухо воспринимает от 16 до 20000 колебаний в секунду. Верхняя граница с возрастом изменяется: чем старше человек, тем меньше колебаний способно воспринимать его ухо. Максимальное количество колебаний, которое может воспринимать ухо человека в 35 лет, составляет 15000, а в 50 лет – даже 13000.

─       Расскажите о строении уха человека.

─       Волны каких частот способно воспринимать человеческое ухо?

─       Что определяет громкость звука?

─       Как называется единица громкости?

─       Чем определяется высота звука?

Задания для четвертой группы

Прочитайте внимательно предложенный вам текст, ответьте на вопросы и подготовьтесь к их обсуждению.

ТЕКСТ

Существуют границы и для интенсивности воспринимаемых ухом звуков. Для того чтобы звуковая волна создавала ощущение звука, необходимо, чтобы интенсивность звука превосходила некоторое значение, называемое порогом слышимости. Звук, интенсивность которого ниже порога слышимости, ухом не воспринимается, так как он слишком слаб. С другой стороны, звук очень большой интенсивности также не воспринимается как звук, вызывая лишь ощущение боли и давления в ухе. Максимальная интенсивность звука, при увеличении которой возникает боль, называется порогом болевого ощущения. Значения обоих порогов - слышимости и боли - разные в разных областях частот. На рисунке показана зависимость порога слышимости и порога болевого ощущения от частоты для так называемого среднего уха. Из рисунка видно, что человек лучше всего слышит звуки средних частот, особенно в области 800 - 2000 Гц, хуже - крайние частоты диапазона ниже 50 Гц и выше 10000 Гц. Существует предположение, почему именно средняя часть диапазона доступных человеку звуков воспринимается им лучше всего. На эту часть приходятся частоты, соответствующие голосам детей и женщин, чью просьбу о помощи человек должен слышать с большого расстояния при любой интенсивности звука.

Рис. 25.

Для каждого человека область слышимости своя. Ее можно установить при помощи специальных исследований. Соответствующая лабораторная работа позволяет установить эту границу каждому для себя.

─       Каков диапазон частот области слышимости?

─       Пи избыточном давлении 30 Па в звуковой волне частотой 1000 Гц ухо человека ощущает боль. Каковы при этом интенсивность звука и уровень интенсивности?

─       Какова амплитуда давления звуковой волны, соответствующей пределу слышимости среднего человеческого уха?

Задания для пятой группы

Прочитайте внимательно предложенный вам текст, ответьте на вопросы и подготовьтесь к их обсуждению.

ТЕКСТ

Воздействия ультразвука на акустический анализатор человека не воспринимаются им как звуковые ощущения, хотя и не остаются для него без последствий.

Инфразвук также находится вне пределов слышимости человека, но оказывает на него физиологическое воздействие. С частотой инфразвука совпадают колебания альфа-ритма биотоков человеческого мозга и биений сердца. Инфразвуковые волны вызывают резонанс внутренних органов. В частности, сердце под воздействием колебаний частотой 1 Гц начинает биться со все возрастающей силой. При этом кровеносные сосуды лопаются, не выдерживая возрастающего давления. И наоборот, подобрав соответствующим образом частоту и фазу инфразвука, можно добиться остановки сердца. Вдали от резонанса с внутренними органами (при частоте, примерно равной 13 Гц) инфразвук оказывает влияние на психическое состояние человека, вызывает у него ощущение неясной тревоги, безотчетного страха и т.д.

Некоторые ученые объясняют действием инфразвука на людей факты обнаружения в океане судов без команд, так называемых «летучих голландцев», По гипотезе советского ученого В.В. Шулейкина, море является природным источником инфразвуковых волн. Двигаясь со скоростью, намного превышающей скорость волн на море, инфразвуковой «голос моря» служит предвестником шторма для некоторых животных, а для людей - сильным источником дискомфортного состояния. Желание избавиться от неприятных ощущений заставляет людей бросаться в море. Искусственными источниками инфразвуковых волн могут служить, например, необычно большие музыкальные инструменты. Они так же, как обычные музыкальные инструменты, воздействуют на человека, но при этом порождают неуверенность, страх, панику. Считают, что упоминаемая в Библии иерихонская труба была как раз таким инструментом. Известны предложения использовать инфразвук в качестве оружия, воздействующего на психику противника.

─       В какой последовательности на шкале длин волн следует расположить диапазоны слышимого звука, ультразвука и инфразвука?

─       Что такое инфразвук? Ультразвук?

3. Предлагается самостоятельное решение задач.

·         Самые низкие и высокие частоты, воспринимаемые человеческим ухом, равны 16 Гц и 20000 Гц. Чему равны соответствующие им длины волн?

·         Определите среднюю силу, действующую на барабанную перепонку человека (площадь S=66 мм2) для двух случаев: а) порог слышимости; б) порог болевого ощущения. Частота 1 кГц.

·         Источник ультразвука создает в воздухе волну длиной 4,4 мкм. Как изменится длина волны при переходе ультразвука в воду, если принять скорость распространения ультразвука в воде равной 1500 м/с, а в воздухе 330 м/с?

4. Домашнее задание:  Выполнить лабораторную работу № 10.

 

тепловые процессы в теле человека

Цели занятия: - познакомить учащихся с тепловыми процессами, протекающими в человеческом теле;

- обобщить и закрепить знания о взаимосвязи строения и функции внутренних систем человеческого организма с окружающей средой.

Оборудование: термометр, иллюстрации, таблицы калорийности продуктов.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	7 – 10	Фронтальное повторение.
2. Изучение нового материала.	20 – 25	Рассказ. Работа с таблицами.
3. Совершенствование знаний и умений.	15	Решение задач. Взаимопомощь.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Будучи частью природы, живого мира, человек взаимодействует с ней. Природа – это среда обитания человека. Биологические возможности приспособления человека к различным условиям велики, что сохраняет целостность организма. Нормальное существование организма возможно лишь благодаря поддержанию им постоянства внутренней среды. При изменении условий внешней среды для поддержания постоянства внутренней требуется включение тех или иных механизмов. Цель нашей игры – познакомиться с некоторыми из них, выявить их роль в теплорегуляции организма.

Каждой группе предлагается 6 вопросов. Цель этого этапа – вспомнить основные физические и биологические понятия по теме.

─       Назовите процесс передачи энергии, проходящий без совершения работы.

─       Какая физическая величина является мерой энергии, полученной или отданной телом в процессе теплообмена?

─       Перечислите виды теплопередачи.

─       Назовите вид теплопередачи, при котором энергия передается от одной части тела к другой.

─       Назовите вид теплопередачи, при котором перенос энергии осуществляется струями жидкости или газа.

─       Как называется процесс парообразования, проходящий с открытой поверхности жидкости?

─       Перечислите факторы, влияющие на интенсивность испарения.

─       Как называются химические реакции, протекающие с выделением тепла?

─       Перечислите органы, участвующие в образовании тепла.

─       Назовите способы регуляции функций организма.

─       Перечислите органы, участвующие в теплоотдаче.

Поверхность Земли характеризуется большим разнообразием климатических зон, разброс экстремальных температур которых составляет почти 150⁰С. (На Земле зарегистрирована самая низкая температура -88,3⁰С в Антарктиде на станции «Восток» в 1960 г. и самая высокая +58⁰С (в тени) в Триполи (Северная Африка) в 1933 г.) Если рассмотреть поверхность планеты с точки зрения отбора мест, в которых люди предпочитают жить, то окажется, что средние годовые температуры регионов, где, по существу, обитает все население мира, заключены между 0 и 30 ^оС (рис. 25: 1 - процент площади Земли, имеющей данные значения средних годовых температур; 2 – процент населения, проживающего в областях с данной среднегодовой температурой). Конечно, столь узкий диапазон температур диктуется не только желанием людей жить с удобствами, но также и тем обстоятельством, что эти температуры лучше всего переносят растения и животные, необходимые человеку в качестве источников пищи и поставщиков кислорода через фотосинтез.

Рис. 26.

─       Почему комфортные условия жизни человека требуют температур порядка 0- 30 ⁰С?

Такой температурный интервал обусловлен, по-видимому, тем, что при таких температурах человеку легче всего поддерживать постоянную температуру своего тела. Тонкая регулировка температуры тела у человека необходима для поддержания на должном уровне скорости химических реакций и обеспечения благоприятных условий для функционирования различных органов.

Средняя температура тела человека равна примерно 37 ⁰С. Это нормальная температура здорового человека. Даже небольшие отклонения от этой температуры свидетельствуют о серьезных, часто опасных для здоровья и жизни человека процессах в организме. В таблице 18 приведены критические для человеческого организма температуры.

Таблица 18.

Критические для человеческого организма температуры.

Температура, 0С.	Характеристика.
36,3 – 37 Выше 42   Выше 43 – 44 Ниже 34 Ниже 30   Ниже 27 – 24	Нормальная температура для 90% людей Критическая температура, сопровождающаяся потерей сознания. Смертельная температура. Температура, приводящая к замедлению процессов в мозге. Критическая температура, сопровождающаяся потерей сознания. Смертельная температура, возникает фибрилляция сердца, прекращается кровообращение.

Различные участки температуры имеют разную температуру. На рисунке 26 указаны средние значения температуры на поверхности различных участков тела здорового человека при нормальных условиях.

 

Рис. 27. Топография кожной температуры взрослого человека и ребенка.

Температура кожи (кожная термометрия). Одно из условий нормальной жизнедеятельности человека - постоянство температуры его тела. Температура кожи отражает степень ее кровоснабжения, свидетельствует о тонусе поверхностных артерий партериол, а также о скорости тока крови в них. Два основных фактора определяют уровень температуры кожи  интенсивность обмена веществ в организме (образование тепла) и отдача тепла в окружающую среду.

Мышечная работа усиливает обмен веществ, повышает количество тепла в организме и изменяет уровень температуры тела и кожи.

Температура кожи зависит от температуры притекающей и оттекающей крови. Температуру кожи тела в состоянии покоя в стандартных условиях можно рассматривать как косвенный показатель интенсивности кровотока.

Температура кожи определяется состоянием ее кровоснабжения и, главным образом, просветом мелких и средних артериол, а также скоростью циркулирующей в них крови. Изменение любого из этих показателей (условий) приводит к изменению кожной температуры либо в сторону повышения, либо в сторону снижения.

Исследования показывают, что после физических нагрузок кожная температура повышается во всех измеряемых точках, но в значительно большей степени - при тренировках в жарком и влажном климате, посещении сауны (бани), после массажа и др.

Для определения средневзвешенной температуры кожи (СВТК) регистрируется температура кожи в пяти точках, а затем делается расчет по формуле Н.К. Витте (1956):

СВТК = О,О7Т_л + О,5Т_гр + 0,18Т_б+0,2Т_гл+0,05Т_к

где Тл - температура кожи в области лба, Т_ГР - температура кожи в области груди, Тк - температура кожи на кисти, Тб ­температура кожи на бедре, Т_ГЛ - температура кожи на голени. Температура тела измеряется в полости рта. В летнее время максимальные значения СВТК отмечаются в 14 ч и 20 ч, они не превышают .

Температура воздуха и уровень радиации, а в тропиках - температура воздуха и его влажность - наиболее агрессивные факторы, определяющие напряженность терморегуляторной системы. На СВТК влияют также различные режимы тренировок и отдыха.

Максимальное значение СВТК у спортсменов отмечают в 11 ч и в 16 ч (3 и ). Имеет значение также температура и влажность окружающей среды. СВТК в течение суток изменяется в пределах 1,2 ^оС. Исследование СВТК необходимо для изучения биоритмов спортсмена для выбора наиболее целесообразного времени и места проведения тренировок. Так, в помещении показатели СВТК выше, чем на воздухе.

Параметрами, характеризующими среду, комфортную для человека, являются: стандарт азотно-кислородного состава воздуха, температура 18-25 ^оС, относительная влажность 60-90%, атмосферное давление 101330 Па, постоянный спектральный состав излучения видимой части спектра электромагнитных волн. Именно эту среду стараются воспроизвести кондиционированием.

Почему влажность воздуха входит в набор параметров, характеризующих комфортную для человека среду? Всем известны неприятные последствия повышенной влажности при высоких температурах, когда одежда прилипает к телу, сердце работает с перегрузкой, так как тратится много энергии на испарение, и т.д.Таковы условия в джунглях: относительная влажность 100% при температуре воздуха 33 ^оС. Еще хуже человек чувствует себя при условиях, сочетающих высокую температуру с низкой влажностью. Так, в пустыне относительная влажность составляет всего 2% при 42 ^ОС.

Воздух, необходимый для дыхания, должен быть влажным. Слишком сухой воздух неблагоприятен для деятельности легких: от сухости страдает функция ресничек мерцательного эпителия, которая состоит в вымывании из дыхательных путей, оседающих твердых частиц, тем или иным путем попавших туда вместе с воздухом. При этом скорость движения слизи, сообщенная ей колебательным движением Ресничек, оказывается зависящей от влажности вдыхаемого воздуха: низкая влажность может затруднить нормальный ход этого процесса. Длительное пребывание в условиях пониженной влажности приводит к обезвоживанию слизистых оболочек носа, рта и горла и может послужить причиной даже гибели организма.

Источником энергии за счет которой существует человек, является Солнце: оно поддерживает в необходимых для выживания человека пределах температуру поверхности планеты; аккумулированную энергию Солнца в виде полезных ископаемых человек использует для поддержания локального теплового баланса, транспорта, приготовления пищи и т.д.

Энергия, за счет которой поддерживается обменные функции организма человека, выделяется в ходе химической реакции окисления содержащихся в пище углеводов,  жиров и белков. Углеводы, например, соединяясь с кислородом, образуют воду и углекислый газ с высвобождением энергии. Вот как идет реакция окисления глюкозы (С₆Н₁₂О₆):

Проводя аналогию между двигателем, способным производить работу, и человеческим организмом, следует отметить, что роль горючего, содержащего энергию в аккумулированной и готовой к употреблению форме, играет пища. Разные виды пищи, как и разные виды топлива, содержат различные количества энергии. Специальные таблицы для расчета калорийности пищевых продуктов позволяют определять их «энергоемкость» И составлять разнообразные диеты (способы питания) для компенсации энергозатрат организма.

Так, например, 1 г углеводов соответствует 20000 Дж энергии. Почти вдвое больше энергии бывает запасено в 1 г жира животных.

В среднем на каждый литр потребляемого организмом кислорода, необходимого для окисления любых видов пищи, выделяется 20,2 МДж энергии. То, как энергия продуктов питания используется организмом, зависит от его активности. Некоторые типичные ситуации представлены в таблице 19.

Таблица 19.

Скорость метаболизма при некоторых видах деятельности человека

Вид деятельности.	Скорость метаболизма, Вт
Сон, отдых Низкая активность (прогулка, работа по дому) Средняя активность (медленная езда на велосипеде, медленное плавание) Высокая активность (игра в баскетбол, рубка леса, бег с препятствиями) Предельная нагрузка (нагрузка, которую человек может выдержать в течение 1 мин) (нагрузку, которую человек может выдержать в течение 10 с)	80 290 520   700   810   1400

- Сколько энергии должен потреблять человек с пищей в сутки для поддержания своей жизни?

- На сколько хватит 450 г жира для поддержания умеренной нагрузки (500 Вт)? Иными словами, сколько времени должен выполнять физические упражнения человек с избыточным весом, чтобы избавиться от 450 г жира?

Аналогию между организмом человека и двигателем можно продолжить. Действительно, каждый двигатель характеризуется коэффициентом полезного действия, т.е. отношением полезной работы (мощности) к затраченной работе (мощности).

Однако в отличие от искусственных двигателей скорость совершения работы человеком не поддается регулированию. Ее значение определяется скоростью протекания химической реакции окисления, характер которой устанавливается в процессе естественного отбора применительно к условиям на поверхности планеты. Условия сгорания углеводородного топлива в клетках мышц человека таковы, что только 25 % выделяемой при этом энергии переходит в механическую работу. Таким образом, коэффициент полезного действия человека сравнительно мал и составляет 10 – 25% в зависимости от вида деятельности.

- Ежедневно с потреблением пищи работник физического труда получает примерно 17 МДж. В течение дня он выполняет работу 10 МДж. Какая доля полученной с пищей энергии превращается в полезную работу?

Почти вся высококачественная энергия, поступающая с пищей в организм, в соответствии со вторым началом термодинамики отработав в теле человека и превратившись в низкокачественную энергию, должна затем быть удалена из организма. Природа знает несколько способов отдачи энергии: конвекция, излучение, теплопередача и испарение. Все они нашли применение в организации процесса теплообмена организма человека с окружающей средой. Каким образом это происходит, показывает таблица 20

Таблица 20

Теплоотдача организма человека.

Как видно из таблицы 20, организм человека теряет энергию главным образом через кожу. Потеря энергии телом пропорциональна площади его поверхности, которая в свою очередь, пропорциональна его линейным размерам. Следовательно, крупные животные могут экономичнее расходовать пищу. И наоборот, мелкие животные должны почти непрерывно есть, чтобы восполнить потери энергии. Совсем маленькие животные не смогли бы даже запасти и переварить необходимое им количество пищи.

Одним из способов регулирования температуры тела у человека является теплообмен за счет теплопередачи. У этой проблемы есть два аспекта. Первый аспект состоит в необходимости отвода энергии из внутренних частей к поверхности тела человека и затем в окружающую среду.

- Почему при одних условиях человеку холодно, а при других жарко? Не могут ли эти ощущения свидетельствовать о различии температур окружающей его среды?

- Как поддержать температуру тела неизменной?

Актуальна для живых организмов и обратная задача: часто условия в окружающей среде складываются так, что организмы страдают от перегрева. Борьба с перегревом осуществляется в основном путем увеличения испарения.

Потоотделение - важный фактор терморегуляции организма человека, поскольку благодаря испарению пота кожа охлаждается. Различные участки поверхности тела человека по-разному обеспечены потовыми железами. Во время напряженной работы и при некоторых видах заболеваний потоотделение усиливается. Его активность претерпевает также возрастные изменения. Например, при нормальных условиях (температура 18 – 20 ^оС, влажность 65-75%) с поверхности стопы взрослого человека за 1 ч выделяется 1,5-3 г влаги, при физической нагрузке - 8-12 г. В сутки количество влаги, испарившейся с поверхности тела человека, достигает 500 мл.

Также необходимо уменьшить потери энергии организмом человека. Уменьшить потери энергии организмом можно путем создания специальной  теплоизолирующей прослойки между ним и окружающей его более холодной средой. У животных с этой целью используются покровы из шерсти, пуха, жировой ткани – материалов, характеризующихся низкой теплопроводностью. У человека эту функцию выполняет одежда. Теплоизолирующие защитные свойства одежды обусловлены действием воздушной прослойки. В отсутствие одежды наше тело нагревалось бы воздухом, соприкасающимся с кожей, и вскоре было бы достигнуто достаточно комфортное состояние, поскольку воздух - хороший теплоизолятор. Однако достаточно легкого дуновения ветерка или движения человека, чтобы воздух пришел в движение и теплые его слои сменились холодными (конвекция). В результате увеличились бы потери энергии телом. Одежда согревает нас потому, что она удерживает нагретый нами воздух и. не дает ему легко уходить от тела.

- Как уберечься от холода?

Следующим этапом борьбы человека за выживание после изобретения одежды было создание жилища как средства защиты сначала от неблагоприятных условий среды - дождя и снега, а затем и холода. Воздух в помещении служит теплоизолирующей прослойкой между телом человека и более холодной окружающей средой. Стены, крыша и пол жилища служат для предохранения этого слоя воздуха от участия в конвективном переносе энергии из помещения на улицу. Поскольку эту оболочку трудно сделать совершенно теплонепроницаемой или хотя бы герметичной, часть энергии будет просачиваться из помещения наружу. Чтобы компенсировать эти потери, недостаточно использовать то количество теплоты, которое выделяется за счет жизнедеятельности людей, и поэтому приходится предназначенные для жизни людей помещения отапливать.

3. Формирование умений организуется следующим образом: участники групп достают из мешка бочонки с номерами заданий. Предложенные ситуации требуют от  учащихся применения знаний по биологии и физике в новых условиях. На обдумывание ответа дается 30 с.

─            Человек, пребывающий долгое время при низкой температуре должен активно двигаться. Почему?

─            Если температура в комнате 20 ⁰С, мы чувствуем себя комфортно. Но, входя в воду той же температуры, мы ощущаем довольно сильный холод. Почему?

─            Чем объяснить, что посещение сауны, где температура воздуха выше 100 ^оС, безопасно для здоровья человека, а попадание в воду той же температуры – смертельно?

─            Почему в южных широтах местные жители во время жары носят шапки – папахи и ватные халаты?

─            Почему в жаркую погоду у человека усиливается жажда?

─            Может ли нам казаться теплее в сырую погоду, чем в сухую, при той же температуре?

─            Верно ли выражение «шуба греет»?

─            Что будет лучшей грелкой – мешочек с песком или бутылка с водой (при одинаковой массе и температуре)?

Затем группы получают карточки – задания. В них содержатся расчетная задача, таблица, которую необходимо заполнить и два вопроса для устного ответа.

·         По некоторым оценкам пловец на дистанции затрачивает 240 кДж энергии в минуту. При этом только четверть этой энергии идет на совершение механической работы его рук и ног. Чему равна средняя сила, препятствующая перемещению пловца, если за одну минуту он проплывает 100 м?

·         Сколько полезной работы может быть получено при сжигании 1 моль глюкозы, если предположить, что тело человека работает как тепловая машина? (η=30%)

·         Определите температуры мышцы, предполагая, что она работает как тепловая машина с η=30% при температуре 25 ^оС.

·         Человек, занимающийся умственным трудом, потребляет в сутки 450 г углеводов, 125 г белков и 100 г жиров. Какое количество энергии выделяется при окислении этих продуктов в организме? Считать, что усваивается лишь 90% питательных веществ.

4. Домашнее задание: выполнить лабораторную работу №  11

 

электрические свойства тела человека

Цели занятия: - познакомить учащихся с электрическими свойствами тела человека;

-          расширение представлений учащихся о деятельности ЦНС человека;

-          ознакомление с элементами биофизики человека;

-          развитие навыков работы с дополнительной литературой,

-          развитие монологической речи, воспитание любознательности.

Оборудование: иллюстрации к уроку.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Изучение и усвоение нового материала.	20 – 25	Рассказ. Беседа. Сообщения учащихся.
2. Формирование умений.	10	Решение задач.
3. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Учитель. Характерной приметой нашего времени является взаимопроникновение различных наук, рождение комплексных отраслей знаний и их бурное развитие. Например, буквально на наших глазах возникли такие науки, как биофизика, бионика, биохимия. Биофизика - это наука о физических и физико-химических явлениях, протекающих в живых организмах и лежащих в основе жизненных процессов, а также о действии физических факторов на живые организмы. Сегодня мы рассмотрим работу ЦНС человека с точки зрения биофизики. (Далее можно при проведении конференции организовать отчет - «космической экспедиции», побывавшей на Земле.)

Председатель. Наша научно-практическая конференция посвящена важнейшему вопросу: регуляции физиологических процессов человека с помощью ЦНС. Земляне устроены так, что их жизнь невозможна без постоянной регуляции физиологических процессов в соответствии с собственными потребностями и изменениями, происходящими в окружающей среде. Предоставляю слово членам экспедиции. Первыми выступят космобиологи, которые расскажут о строении нервной системы человека и ее свойствах. (Космобиолог, используя слайды с общей схемой строения нервной системы, строением нерва, расположением контактов на нейроне, рассказывает о строении и функциях нервной системы человека, демонстрирует коленный рефлекс.) Выступление космобиолога дополняют мои коллеги, астрофизики.

Первый астрофизик. Земляне представляют собой сложные биологические системы, поэтому, изучая процессы, происходящие в их организмах, мы обратились к методам, которые используются в таких точных науках, как физика и химия. Ведь человек состоит из атомов и молекул, подчиняющихся физическим и химическим закономерностям. Мой коллега космобиолог сказал, что по нервному волокну распространяется электрический импульс. Мы хотим немного рассказать об электрических явлениях, которые происходят на Земле.

Второй астрофизик. 1791 год. Профессор кафедры анатомии в Болонье (Италия) Луиджи Гальвани в книге "Трактат о силах электричества при мышечном движении» пишет: "я разрезал и препарировал лягушку... Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги... Я зажегся страстным желанием исследовать это явление...» Но ответ на этот вопрос дал соотечественник Гальвани - Алессандро Вольта: живой организм проводит, пропускает через себя электрический ток. Именно Вольта и создал первый источник Я вам сейчас продемонстрирую такой источник тока. Нужно взять по пять пластинок из меди и цинка размером 30х30х4 мм и сложить их стопкой, чередуя и перекладывая промокательной бумагой, смоченной крепким раствором поваренной соли.

Рис. 28.

Если взять столбик мокрыми пальцами за торцы, то почувствуешь слабый, но явственный электрический удар! Если этот элемент подключить к гальванометру, он покажет наличие тока в цепи.

Прошел 121 год после статьи Гальвани, и в 1912 г. было обнаружено, что внутри человеческого организма протекают токи, хотя и очень слабые. Исследователи доказали, что любой процесс внутри человека: работа сердца и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения - сопровождаются биологическими электрическими сигналами. Передаю слово своему коллеге.

Первый астрофизик. Мое выступление посвящено явлению, которое происходит при растворении кристаллов, например, соли, в воде. На Земле этот процесс называют электролитической диссоциацией. Диссоциация - это распад молекул электролита на ионы под действием полярных молекул растворителя:

Легче всего диссоциируют вещества с ионной связью. При их растворении диполи Н₂О ориентируются вокруг положительных и отрицательных ионов.

Между ионами и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате взаимосвязь между ионами ослабевает и происходит переход ионов из кристалла в раствор; Другими словами, в результате электролитической диссоциации в растворе образуются свободные носители зарядов: положительные и отрицательные ионы. (Астрофизик демонстрирует опыты по электролитической диссоциации и электролизу). Итак, чтобы понять механизм передачи нервных импульсов потребовал ось познакомиться с процессом электролитической диссоциации.

Третий астрофизик. Теперь я подробнее расскажу о том, как происходит передача нервных импульсов. (В процессе рассказа демонстрируются слайды).

Рис. 29.

Оболочка аксона (мембрана) разделяет два водных раствора, в одном из которых содержатся положительные, а в другом - отрицательные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации. Эти растворы обладают почти одинаковой электропроводностью, но разным химическим составом. Общее количество положительных ионов уравновешено таким же количеством отрицательных ионов, т.е. в целом раствор, заполняющий живую ткань, электронейтрален. Перераспределение ионов может приводить к пространственному разделению зарядов разного знака в том или ином месте (вспомните, что происходит в источнике тока), т.е. к созданию электрического напряжения, которое в данном случае называют биопотенциалом.

В невозбужденном состоянии (рис. 29 а) заряды распределяются так, что внутренняя сторона мембраны будет заряжена отрицательно, а внешняя - положительно. В результате возникает разность потенциалов около 60 мВ. Это потенциал покоя клетки. Если, возникает раздражение, то мембрана в данном месте начинает пропускать положительно заряженные ионы Na+ внутрь клетки, и клетка заряжается положительно (рис. 29 б). Это «спусковой крючок», который приводит в действие все новые и новые участки аксона. Изменение разности потенциалов неизбежно приводит к изменению натриевой проницаемости мембраны на соседних участках. В то же время, после того как ионы Na закончили на данном участке перемещаться внутрь аксона, прежние свойства мембраны восстанавливаются и как следствие восстанавливается прежний потенциал аксона. Таким образом, по аксону слева направо распространяется «всплеск» положительного потенциала - это и есть электрический сигнал, несущий, например, мышцам команду сокращаться (рис. 29 в).

2. Отработка изученного является естественным продолжением предыдущего этапа занятия. Предлагаем решить следующие типичные задачи.

Корреспондент. Можно задать вопросы?

1. Сколько времени требуется мембране, чтобы восстановить первоначальное состояние?

(Ответ: не более 0,001 с т.е. за секунду по аксону может пройти свыше 1000 импульсов.)

2. Чем отличается нервный импульс в аксоне от электрического тока в проводе ?

(Ответ: в медном проводе ток распространяется со скоростью, близкой к скорости света, в аксоне импульс движется со скоростью от нескольких метров в секунду до 100 м/с. У содержимого аксона удельное сопротивление примерно в 100 млн раз больше, чем у медной проволоки. Кроме того, изолирующая способность наружной мембраны примерно в миллион раз слабее, чем у оболочки хорошего кабеля. Если бы распространение электрического сигнала по аксону зависело только от электропроводности, то введенный в него сигнал затухал бы в пределах нескольких миллиметров.)

Председатель. Беседуя с членами экспедиции, я выяснил, что земляне, к сожалению, подвержены различным заболеваниям. Я узнал, что на Земле существует множество заболеваний, связанных с расстройством функций нервной системы. Я попросил бы специалиста по космической экологии осветить вопросы, связанные с лечением и профилактикой подобных заболеваний.

Первый космоэколог. Уже в XIX в. благодаря развитию естественных наук на Земле были сделаны первые удачные попытки использования законов физики и химии при врачевании болезней. Но наибольших результатов в диагностике и лечении медики достигли тогда, когда научились использовать физические приборы. Например, мы уже знаем, что «биологическое электричество» является неотъемлемым свойством всей живой материи. Оно возникает при функционировании нервной системы, при работе желез и мышц.

Регистрируя биопотенциалы, сравнивая форму сигналов определенного участка организма в здоровом и больном состоянии, легко установить причину заболевания. Для регистрации - биопотенциалов можно использовать осциллографический метод. (Чтобы учащимся было понятно, можно показать осциллограмму звука, присоединив микрофон к осциллографу, поясняя, что биопотенциалы мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых на различные точки кожи головы. Эти сигналы электроэнцефалограмма - фиксируются на экране электроэнцефалографа или на ленте самописца.)

Определенные нарушения работы мозга вызывают определенные изменения биотоков.

Рис. 30.

Более подробно о методах лечения неврологических заболеваний, например неврастении, вам расскажет мой коллега.

Второй космоэколог. Часто неврастения сопровождается головными болями (мигренями) и потерей сна. Как же снять головные боли? Этого можно достигнуть путем воздействия на мозг импульсами электрического тока через электроды, прикладываемые к коже. Метод позволяет сократить, а иногда и полностью исключить применение химических обезболивающих препаратов, избавить больного от их побочных действий. Например, в аппарате «Скат» импульсы переменного тока попеременно подаются с трех пар электродов, укрепленных на голове больного. Благодаря этому под воздействием оказываются практически все структуры мозга, ответственные за блокаду болевого раздражения. Частота импульсов меняется в интервале 400-1500 Гц, а амплитуда силы тока достигает 300 мА.

Человек примерно треть жизни проводит во сне. Полное лишение сна люди переносят гораздо тяжелее, чем голодание и скоро погибают

В процессе сна клетки мозга восстанавливают свою работоспособность, активно усваивают питательные вещества, накапливают энергию. Сон восстанавливает умственную деятельность, создает чувство свежести, бодрости, вызывает прилив энергии. Поэтому земляне для лечения заболеваний центральной нервной системы используют электросон. Он используется при снижении работоспособности, повышенной утомляемости, головных болях и бессоннице.

Импульсный ток 2-8 мА через глаза по зрительным путям воздействует на подкорковые образования ЦНС. При этом вырабатываются вещества, вызывающие обезболивание, активизируются процессы тканевого обмена, улучшается снабжение тканей мозга кислородом, активизируется белковый и жировой обмен, повышается работоспособность, устойчивость к нагрузкам физического и эмоционального характера. Аппарат «Электросон» - это ламповый генератор импульсов напряжения постоянной полярности, прямоугольной формы с периодом следования от 0,5 до 0,008 с.

Длительность импульсов 1-4 с. Этот метод вполне заменяет снотворные, которые в той или иной мере вредны. (Импульсный ток прямоугольной формы можно продемонстрировать, используя осциллограф и приставку-генератор к лабораторному осциллографу ПГШ-1.)

Первый астрофизик. Электропроводность – один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением.

Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуются разной концентрацией раствора электролита и разным его составом, вследствие чего различаются по своим диэлектрическим свойствам.

Как любой проводник тело человека можно охарактеризовать его электрической емкостью. Приближенно емкость любого проводника может быть рассчитана как емкость шара, имеющего такую же площадь поверхности.

Решите, пожалуйста, такую задачу:

Какова приблизительно емкость тела человека? Примите, что площадь поверхности тела человека равна площади поверхности шара диаметром 1 м.

Поскольку внутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, внутренние ткани тела человека обладают довольно низким сопротивлением. В целом же сравнительно высокое сопротивление тела человека электрическому току определяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса). Проводимость кожи в значительной степени зависит от ее состояния и осуществляется через потовые и сальные железы. Внутри тела человека ток разветвляется и проходит преимущественно вдоль протоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатических узлов и т.д.). Значения сопротивлений разных тканей тела человека приведены в таблице.

Общее сопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже рук составляет 10⁴-10⁶ Ом. Влажная кожа может уменьшить сопротивление тела до 10³ Ом  и ниже.

Задача. Почему опасно работать с электрическим током при повышенной влажности воздуха?

Решение

Ток, проходящий при случайном касании рукой через и 220 тело человека;

Ток, проходящий через тело человека при касании влажной рукой,

А такая сила тока может оказаться смертельной.

По отношению к переменному току человеческое тело можно рассматривать как параллельно соединенные резистор и конденсатор. Постоянный ток идет только через резистор, и, если активное сопротивление тела большое, сила тока будет невелика. Переменный ток идет и через резистор, и через конденсатор. Так как резистор и конденсатор включены параллельно, их полное сопротивление меньше чисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна быть больше, чем в случае постоянного тока.

Сопротивление человеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит от состояния здоровья человека. Определенно известно, что наличие алкоголя в крови заметно уменьшает сопротивление человеческого тела.

Встречаются люди с уникальными электрическими характеристиками. Например, электрик из болгарского города Габрово Г.Иванов обладает электрическим сопротивлением, в 8 раз более высоким, чем у обычных людей. Он может работать с электрическими цепями, находящимися под напряжением 380 В, без защитных средств и не отключая питания. (Для обычного человека напряжение 380 В смертельно.)

Определению сопротивления тканей тела человека току (постоянному и переменному) мы посвятим специальную лабораторную работа (см. Рабочую тетрадь)

Председатель. Итак, выслушав сообщения астробиологов, астрофизиков и космоэкологов, я пришел к выводу, что человек - это сложная биологическая система, которую необходимо изучать с точки зрения, как биологии, так и других естественных наук: физики, химии, математики.

Мы рассмотрели только нервную систему человека.

3. Домашнее задание: выполнить лабораторную работу № 12.

 

человек в мире электромагнитных излучений.

Цели занятия: - обобщить знания об электромагнитных излучениях (полях), встречающихся в быту;

- выяснить положительное и отрицательное воздействие этих полей на организм человека;

- сформировать принципы защиты от вредного воздействия полей, либо уменьшения их вредного воздействия;

- познакомить учащихся с электрическими свойствами тела человека;

Оборудование: справочные материалы (значение напряженности магнитной индукции электромагнитного поля бытовых приборов); правила электромагнитной безопасности (для каждой группы); таблица “Биологический эффект электромагнитных излучений” (на доске); набор (раздаточный материал) экранированных проводов, защитные корпуса микросхем, конденсаторов, катушек индуктивности; журнальные статьи по теме урока.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	7 – 10	Письменная работа. Фронтальный опрос.
2. Изучение нового материала.	15 – 20	Рассказ. Работа с таблицей.
3. Совершенствование знаний и умений.	15	Решение задач.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Вступительное слово учителя: Человек в процессе жизнедеятельности создал особую среду – ее называют техногенной, т.к. она обусловлена существованием и работой огромного количества разнообразной техники. Сегодня мы уже не можем представить своей жизни без, например, электрического освещения, бытовых электронагревателей, телевизора, компьютера, мобильного телефона… Все эти приборы создают электромагнитные поля. Складываясь, эти поля существенно меняют качество окружающей нас среды.

Так хорошо это или плохо – жить в электромагнитном мире? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте вспомним основные свойства электромагнитных волн, посредством которых распространяется электромагнитные воздействия. Учащиеся отвечают на мини –вопросы в быстром темпе:

Я знаю, что:

Электромагнитное поле – это…

 Электромагнитное поле создается….

Характеристики электромагнитного поля…

Электромагнитное поле распространяется… -

Вопросы для обсуждения в группах:

─       Почему электромагнитное поле влияет на человека?

─       От чего зависит биологический эффект действия электромагнитного поля?

─       Какие бытовые приборы создают электромагнитное поле в вашей квартире?

─       Если действие электромагнитного поля вредно, то, как обезопасить себя?

─       Почему электромагнитное поле влияет на человека?

─       От чего зависит биологический эффект действия электромагнитного поля?

─        Какие бытовые приборы создают электромагнитное поле в вашей квартире?

─        Если действие электромагнитного поля вредно, то как обезопасить себя?

2. По результатам обсуждения должны быть сделаны следующие выводы:

Человек – антенна, принимающая электромагнитные волны U_рез = 129 и кратные.

Тело человека – проводник, следовательно, на естественные электромагнитные колебания организма (органов, клеток, систем органов) накладывается дополнительное электромагнитное поле, за счет явления электромагнитной индукции.

Биологический эффект зависит от:

ü  значений Е (напряженности электрического поля);

ü  значений В (магнитной индукции);

ü  значений w (частоты).

Чтобы сформировать принципы защиты от вредного воздействия электромагнитных излучений, учащимся предлагается поработать со справочными материалами.

1). ПДУ – предельно допустимый уровень напряженности и магнитной индукции зависит от частоты.

Таблица 21.

ПДУ (предельно допустимые уровни).

 

 

2). Поля, создаваемые различными бытовыми приборами. (Таблица 2)

3). Безопасное расстояние. (Таблица 2)

Таблица 22.

ЭЛЕКТРОБРИТВЫ. Их поля очень велики и, к сожалению, не позволяет выдержать безопасную дистанцию.

Совет: электробритва хороша для кратковременного, а не постоянного пользования. В командировке она незаменима, а дома правильно поступают те, кто бреется традиционным способом.

ТЕЛЕВИЗОР. Это сильный источник электромагнитного поля, но опасность исчезает с расстоянием 1,1 м от экрана и 1,2 от боковой стенки – поле нормализуется.

Совет: лучше черно-белый телевизор, чем цветной (интересно, кто способен на такие жертвы ради здоровья), дистанционный пульт – не роскошь, а мера предосторожности.

СВЧ-ПЕЧЬ. Внутри нее при работе возникает мощнейший источник излучения, поэтому конструкция дверцы обеспечивает особую защиту. И все же чрезмерно увлекаться готовкой в ней не стоит. Помните: печь предназначена прежде всего для разогрева пищи или приготовления полуфабрикатов, то есть для включения на относительно короткий срок.

Совет: когда печь работает, лучше не сидеть рядом, а отойти на 1,5 – 2 м. Нужно также проверить, плотно ли закрывается дверца. Со временем степень защиты печи может снижаться из-за появления микрощелей в уплотнении дверцы. Поэтому через 5-6 лет целесообразно пригласить специалиста, чтобы проверить качество защиты.

КОМПЬЮТЕР. Он излучает электромагнитное поле в основном с торцевой части монитора и системного блока. Поэтому его разумнее устанавливать в углу комнаты, чтобы пореже обходить вокруг.

Совет: запомните “правило вытянутой руки”. Это оптимальное расстояние от вашего лица до экрана. А чтобы не напрягать зрение, лучше максимально увеличить изображение при работе.

Биологический эффект может быть положительным (возникновение жизни на Земле, акселерации, методы лечения в медицине) и отрицательным. Сегодня мы остановимся на отрицательном воздействии. Медики установили, что длительное пребывание в искусственно созданном электромагнитном поле дает… (Таблица 23 на доске).

Таблица 23.

─       Ощущали ли вы на себе такие действия электромагнитного поля и когда?

─       Как же обезопасить себя от вредного воздействия электромагнитного поля, или хотя бы уменьшить биологический эффект?

Выслушиваем гипотезы, высказанные каждой группой, обсуждаем их. (Для борьбы с вредным воздействием электромагнитного поля, нужно использовать свойства электромагнитной волны).

Выводы:

1. Экранирование металлом источников электромагнитного излучения (провода, катушки индуктивности и т.п.) Рассматриваем набор экранированных деталей.

2. Выдерживать безопасное расстояние.

3. Все бытовые электроприборы должны быть исправны и соответствовать ПДУ. (Сертификат качества)

4. Зеленые насаждения активно поглощают электромагнитные волны.

И все же, я хочу, чтобы вы больше узнали о своих любимых бытовых приборах, обсудили эту проблему дома, умели защитить свое здоровье.

ПРАВИЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.

ü  Не оставляйте включенный телевизор в комнате, из которой ушли, особенно в спальне.

ü  Если даже на час встаете из-за компьютера, выключайте его.

ü  На ночь не оставляйте технику работать в режиме stand-by, проще говоря, красный огонек на панели должен погаснуть.

ü  Выбирая технику, отдайте предпочтение той, у которой есть кнопка, отключающая ее от сети.

ü  Стиральную машину лучше разместить в ванной комнате.

ü  Стены, даже несущие, не защищают от электромагнитного поля, поэтому прежде, чем выбирать место для кровати, неплохо бы узнать, где стоит телевизор у соседей.

ü  Старайтесь не включать много приборов в одну розетку.

ü  Следите, чтобы наружные провода были расправлены и не образовывали беспорядочных колец и петель. Провод, свитый кольцом, - гораздо более сильный источник напряжения. Чем тот же провод, но прямой.

3. Рекомендуем решить качественные задачи. Например:

·         Эколог, выступая по радио, сказал, что проживание человека в железобетонных домах усиливает воздействие на него электромагнитных полей. Прав ли он?

(Нет, если источник поля вне дома – это ЛЭП, передающая антенна и т.п., т.к. железобетонный дом представляет собой “экран”, от которого отражаются электромагнитные волны внешних источников.)

·         Рядом с домом проходит ЛЭП и троллейбусная линия. Опасны ли внешние поля для человека, выходящего дышать свежим воздухом на балкон?

(Нет, если пребывание кратковременное и если перед балконом растут деревья.)

·         Является ли электрический провод, подведенный к дому от расположенной вблизи трансформаторной подстанции, источником опасного для человека электромагнитного поля?

(Нет, т.к. он проложен под землей и заключен в металлическую экранирующую сетку.)

4. Домашнее задание: составить свою памятку «Правила электромагнитной безопасности»

 

глаз и зрение.

Цель занятия: - формирование понятий “аккомодация глаза”, “близорукость, дальнозоркость”;

- обеспечение в ходе урока повторения законов геометрической оптики и строения глаза;

- формирование умений решать творческие задачи с элементами изобретений.

Оборудование: справочные материалы (значение напряженности магнитной индукции электромагнитного поля бытовых приборов); правила электромагнитной безопасности (для каждой группы); таблица “Биологический эффект электромагнитных излучений” (на доске); набор (раздаточный материал) экранированных проводов, защитные корпуса микросхем, конденсаторов, катушек индуктивности; журнальные статьи по теме урока.

План занятия.

Этапы урока	Время, мин	Приемы и методы
1. Повторение.	7 – 10	Фронтальная беседа. Практическая работа.
2. Изучение нового материала.	20 – 25	Рассказ учителя. Беседа. Сообщения учащихся.
3. Совершенствование знаний и умений.	15	Ответы на вопросы. решение качественных задач.
4. Домашнее задание.	1	Запись на доске.

 

Ход занятия

1. Повторение служит целям формирования знаний и умений.

Учитель: Мы с вами уже знакомы с понятием «линза», видами линз, их назначением и научились строить изображения предметов, даваемые линзами. Сейчас мы этот материал коротко повторим, а затем поучимся получать различные изображения предмета (свечи) при помощи собирательной линзы.

Практическая работа (по группам)

─       Какие изображения предмета дает плоское зеркало? (Мнимое, прямое, всегда равное по размерам самому предмету.)

─       Линза может давать изображение, отличающееся по размерам от самого предмета. От чего зависит размер изображения? (От соотношения между расстоянием от предмета до линзы и фокусным расстоянием.)

─       У вас на столах приборы: собирающая линза, экран, свеча, изображение которой мы должны наблюдать и описывать. Практическую работу мы будем выполнять все одновременно, следуя моим указаниям.

─       Оценим фокусное расстояние линзы. Для этого при помощи собирающей линзы получите четкое изображение окна на экране. Измерьте расстояние от линзы до экрана – оно будет приблизительно равно фокусному расстоянию линзы. Запишите это значение в таблицу.

─       Зажгите свечу и расположите ее на расстоянии d<F от собирающей линзы. Запишите величину d в тетрадь.

─       Посмотрите через линзу на свечу. Вы видите изображение свечи? Какое оно? (Мнимое, прямое, увеличенное, уменьшенное.) Запишите наблюдение в тетрадь.

─       Расположите свечу на расстоянии F<d<2F. Запишите это расстояние. Где теперь располагается изображение? Какое оно? (Действительное, перевернутое, увеличенное.) Наблюдение запишите.

─       И, наконец, проделайте то же самое для случая d>2F. (Изображение действительное, перевернутое, уменьшенное.)

Итак, мы убедились, что с помощью линзы, в отличие от плоского зеркала, можно получать различные изображения.

Линза – это не только основной элемент оптических приборов, созданных руками человека, это и основной элемент глаза. О строении глаза расскажет учитель биологии.

2. Характер нового материала требует с одной стороны, повторения и обобщения ранее изученного, с другой – изучения новых понятий.

А теперь разберем строение глаза с точки зрения оптики.

Человеческий глаз представляет собой замкнутый объём примерно сферической формы. Диаметр среднего глаза человека составляет примерно 23–25 мм. Среднее расстояние от хрусталика до сетчатки 18,3 мм.

Глаз окружён прозрачной твёрдой оболочкой белого цвета – склерой, которая защищает глаз от повреждений. Передняя часть склеры переходит в прозрачную оболочку – роговицу толщиной 0,5 мм. За роговицей внутри склеры расположены передняя глазная камера, хрусталик, задняя глазная камера.

Хрусталик глаза человека представляет собой двояковыпуклую линзу и обладает большой светопреломляющей способностью. Ось хрусталика совпадает с осью глазного яблока. Вещество, из которого состоит хрусталик бесцветное, прозрачное, плотное, сосудов и нервов не содержит, коэффициент преломления n = 1,43. При сокращении или расслаблении ресничной мышцы изменяется кривизна хрусталика, изменяя таким образом оптическую силу этой линзы.

Средняя оптическая сила глаза составляет: + 59 диоптрий. Поскольку фокусное расстояние у такой линзы очень маленькое (17 мм), то все наблюдаемые нами объекты располагаются за двойным фокусным расстоянием. Значит, изображение на сетчатке глаза получается уменьшенным, действительным и перевёрнутым.

Рис. 31

Размер изображения на сетчатке зависит от размеров предмета и расстояния от него до сетчатки, то есть от угла, под которым рассматриваются предметы. Этот угол называется углом зрения. Чем дальше предмет, тем меньше его изображение на сетчатке. Чем больше предмет, тем дальше мы должны от него отойти, чтобы он весь уместился на сетчатке глаза. Совершенно прав был поэт, сказавший: “Лицом к лицу – лица не увидать. Большое видится на расстоянии”.

─       С точки зрения оптики, что собой представляет глаз?

─       Раз глаз является системой линз, то какие вы знаете характеристики линзы?

─       Как вы думаете, оптическая сила глаза больше или меньше 0?

Таким образом, глаз – это система линз, с относительным показателем преломления от 1,34 до 1,43 и оптической силой 59 диоптрий.

Мы видим только при наличии света. Интересный случай описывает С.С. Смирнов в книге «Рассказы о неизвестных героях». Русский солдат 9 лет, с 1915 по 1924 г., оставался в темном подземелье Брестской крепости. Он имел достаточное количество продовольствия и воды. Но свечей и спичек хватило только на 4 года, и следующие 5 лет этот человек провел в полной темноте. Отвыкнув от света, он ослеп.

Глаз – очень чувствительный оптический прибор, он воспринимает количество света всего в несколько фотонов.

Мы видим все предметы так, как они расположены на самом деле, хотя на сетчатке глаза их изображения перевернуты. Объяснить причину этого помог следующий опыт.

Испытуемому одели специально изготовленные очки, которые он должен был носить, не снимая, несколько дней. Их стекла были подобраны так, что на сетчатке возникали не обратные, а прямые изображения предметов. Весь мир испытуемому показался опрокинутым: потолок он видел внизу, пол – вверху. Первое время он не мог сделать с открытыми глазами ни одного шага, ни одного правильного движения. Вот его впечатления.

«Когда я делал шаг, звук слышался снизу, а пение птицы, сидевшей на дереве, – сверху. Рецепторы, находящиеся в мышцах, сигнализировали мне о том, что сила тяжести моего тела направлена вниз. Чтобы поднять предмет с пола, я нагибался, а не тянулся вверх. И через несколько дней возбуждения, поступавшие в мозг от всех остальных органов чувств, выправили ошибку зрения. Мир вернулся в обычное положение, и все вещи стали на свои места. Две недели я носил очки и чувствовал себя так, словно никаких стекол на глазах не было. Но вот очки сняли – и мир вновь опрокинулся. Опять понадобилось несколько дней, чтобы я снова мог увидеть окружающее таким, каково оно в действительности».

Этот опыт позволил установить, что мы воспринимаем внешний мир благодаря взаимодействию возбуждений, поступающих от всех органов чувств. Это взаимодействие осуществляется в головном мозге. Можно сказать, что видит мозг, а не глаз. Зрение – это корковый процесс, и он зависит от информации, поступающей от глаза в зрительные центры мозга.

Моделью глаза является фотокамера. Объектив соответствует преломляющим средам глаза, диафрагма фотоаппарата – зрачку. В линзах и в глазу преломление света происходит по общим законам физики.

Глаз – самонастраивающийся прибор, он позволяет нам видеть близкие и удаленные предметы. Основную роль в этом играет хрусталик, который то сжимается в шарик, то растягивается, тем самым меняя фокусное расстояние. В простом фотоаппарате этому соответствует изменение расстояния между объективом и фотопленкой. Фотопленке соответствует сетчатка глаза. Конечно, нельзя сравнить фотохимические реакции пленки со сложными физиологическими процессами в сетчатой оболочке глаза.

До сих пор мы говорили о нормальном глазе. Но довольно часто встречаются дефекты зрения, связанные с особенностями строения глаза, – близорукость и дальнозоркость. (Рассказывает о нарушениях зрения.)

Сообщения учащихся

1.      Как видит близорукий.

Близорукий без очков видит плохо. Но что, собственно, он видит и какими именно представляются ему предметы, – об этом люди с нормальным зрением имеют смутное представление.

Прежде всего, близорукий человек без очков никогда не видит резких контуров: все предметы для него имеют расплывчатые очертания. Человек с нормальным зрением, глядя на дерево, различает отдельные листья и веточки, отчетливо вырисовывающиеся на фоне неба. Близорукий же видит лишь бесформенную зеленую массу неясных очертаний, мелкие же детали для него пропадают.

Близоруким людям человеческие лица кажутся, в общем, моложе и привлекательнее, чем человеку с нормальным зрением. Морщины и другие мелкие изъяны близорукие люди не замечают, красный цвет кожи кажется им нежным румянцем. Мы удивляемся наивности иных своих знакомых, ошибающихся чуть ли не на 20 лет в определении возраста людей, поражаемся их странным вкусом в оценке красоты, виним их в неучтивости, когда они смотрят нам прямо в лицо и словно не желают узнать... Все это часто происходит просто от близорукости.

«В лицее, – вспоминает поэт Дельвиг, современник и друг Пушкина, – мне запрещали носить очки, зато все женщины казались мне прекрасны; как я разочаровался после выпуска». Когда близорукий (без очков) беседует с вами, он вовсе не видит вашего лица, – во всяком случае видит не то, что вы предполагаете: перед ним расплывчатый образ, и нет ничего удивительного в том, что, встретив вас через час, он уже не узнает вас. Большей частью близорукий узнает людей не столько по внешнему облику, сколько по голосу: недостаток зрения восполняется изощренностью слуха.

Интересно также проследить за тем, каким рисуется близоруким людям мир ночью. При ночном освещении все яркие предметы – фонари, лампы, освещенные окна и т.п. – разрастаются для близорукого до огромных размеров, превращая картину в хаос бесформенных ярких пятен, темных и туманных силуэтов. Вместо линий фонарей на улице близорукие видят 2–3 огромных ярких пятна, которые заслоняют для них всю остальную часть улицы. Приближающийся автомобиль они не различают, вместо него видят только два ярких ореола (фары), а сзади них темноту.

Даже ночное небо имеет для близоруких совсем другой вид: близорукий видит лишь звезды первых трех-четырех величин. Луна представляется близорукому огромной и очень близкой, полумесяц же принимает замысловатую, фантастическую форму.

2.      Возвращенное зрение.

Слепота – большое несчастье. В старые времена считалось, что в сравнении с ней даже смерть – меньшее зло. Слепые в дореволюционной России, как правило, были обречены на нищенство и голод. Только ослепших после оспы было свыше 50 тыс. У многих слепых были бельма на роговице, которые совершенно закрывали свет. Многие тысячелетия избавить от них людей считалось невозможным.

Как снять завесу и тем самым дать возможность лучам света пройти в глаз? Пробовали удалять бельмо, но после операции образовывался рубец и зрение не восстанавливалось. Делали и такие операции: больным с небольшим бельмом, у которых некоторые участки роговицы были прозрачными, сбоку от зрачка удаляли часть радужной оболочки. На некоторое время это возвращало зрение.

Только академику В.П. Филатову удалось разработать успешные методы лечения слепоты пересадкой роговицы.

Владимир Петрович Филатов с тщательностью ювелира проводил операции на глазе. Он изобрел тончайшие инструменты. С помощью особого круглого острого ножа-трепанга вырезали диск бельма. Заранее приготавливали роговицу из глаза трупа и консервировали ее на холоде. Консервированную роговицу укладывали на место вырезанного диска. Пересаженная роговица приживалась, и слепой становился зрячим.

Имя В.П. Филатова известно во всем мире. Он был замечательным ученым, гуманистом, крупным общественным деятелем.

Сейчас разработаны новые методы хирургических операций с помощью лучей лазера, научились заменять больной хрусталик искусственным.

Помутнение хрусталика – катаракта – и теперь одна из наиболее распространенных болезней глаза. В 1970-е гг. был разработан новый способ борьбы с катарактой. Хрусталик измельчают особыми приемами до состояния взвеси, которую отсасывают с помощью полой иглы и шприца. Вся процедура занимает несколько минут. В этом случае разрез роговицы составляет всего 1,5 мм и требуется только один шов. Старый метод извлечения целого хрусталика требовал наложения на роговицу 10–15 швов длиной 15–18 мм. Легко понять, насколько современная операция безопаснее для глаза. Вторая часть операции состоит в пересадке искусственного хрусталика вместо удаленного. В настоящее время можно утверждать, что половина всех случаев слепоты излечима.

3.      Цветоощущение

Насколько многокрасочен мир, настолько многообразны наши ощущения. Цвета определяются характером световых волн. Все краски слагаются из 3 цветов: красного, зеленого, фиолетового. Их смешивание дает все остальные.

Трехсоставную теорию цветного зрения впервые высказал в 1756 году Ломоносов, когда писал о “трех материях дна ока”. Сто лет спустя ее развил немецкий ученый Гельмгольц.

В сетчатке есть 3 разных элемента, чувствительных соответственно к каждому из трех основных цветов. Равномерное раздражение всех элементов вызывает ощущение белого цвета. Если в сетчатке глаза выпадает или ослаблено восприятие одного из 3 основных цветов, то человек не воспринимает какой-то цвет.

Редко встречается полная цветовая слепота. Чаще встречаются люди, неспособные отличить красный цвет от зеленого. Эти цвета они воспринимают как серые. Такой недостаток зрения назван дальтонизмом, по имени английского ученого Дальтона, который сам страдал таким расстройством цветного зрения и впервые описал его, обнаружив в возрасте 26 лет, что плохо различает по цвету красные ягоды от зеленой травы.

Дальтонизм неизлечим. Он передается по наследству или возникает после некоторых глазных и нервных болезней

Дальтоников не допускают к вождению транспорта. Очень важно хорошее цветоощущение для моряков, летчиков, химиков, художников.

Рис. 32.

4.      Зрительные иллюзии.

Процесс зрения представляет собой очень сложный акт, в ходе которого определённую роль играют память, работа мозга, восприятие других органов. В ряде случаев воспринимаемые геометрические соотношения между объектами не соответствуют их действительным геометрическим соотношениям. Мозг как бы корректирует работу глаза, и это понятно: живое существо нуждается в правильном представлении об окружающем мире, а не в правильных оптических изображениях. И вот эта работа мозга иногда вызывает неоднозначное оценивание воспринимаемой зрительной информации. Так возникают зрительные иллюзии. Большинство иллюзий связано с тем, что некоторые предметы или их части воспринимаются не отдельно, а в связи с окружающими предметами (по контрасту, по форме, по расположению и т.д.)

Рис. 33

3. Вопросы на повторение по биологии и физике.

─       Что такое аккомодация?

─       Что такое близорукость?

─       Что может быть причиной врожденной близорукости?

─       Что такое дальнозоркость?

─       Что может быть причиной врожденной дальнозоркости?

─       Что является причиной приобретенных нарушений зрения?

─       Какие правила нужно соблюдать, чтобы избежать возникновения близорукости?

─       Как называется нарушение цветоощущения?

─       Как называется глазная линза?

Отработка и углубление изученного материал продолжается при решении качественных задач.

·         Близорукий ученик воспринимает буквы, написанные на доске расплывчатыми, нечёткими. Ему приходится напрягать зрение, чтобы аккомодировать глаз то на доску, то на тетрадь, что вредно как для зрительной, так и для нервной системы. Предложите конструкцию таких очков для школьников, чтобы избежать напряжения при чтении текста с доски.

·         Герберт Уэллс написал роман “Человек-невидимка”. Агрессивная невидимая личность хотела подчинить себе весь мир. Подумайте, в чём несостоятельность этой идеи? Когда предмет в среде невидим? Как может видеть глаз человека-невидимки?

·         В литературе широко обсуждаются явление повышения разрешающей способности глаз космонавтов, находящихся на околоземной орбите. И русские, и американские космонавты проявили способность видеть такие подробности на поверхности Земли, как суда в океане, трубы заводов, автобусы на шоссе и т.д. Было высказано много гипотез, объясняющих психофизиологические особенности зрения в космосе. Предложите одну из версий, объясняющую этот феномен.

Подведём итог нашему уроку. Глаз - очень сложно устроенный оптический прибор, наделённый природой большими полномочиями. Наша задача, зная особенности работы и строения глаза не ухудшать его природные возможности. Но если это всё-таки неизбежно мы должны придумать, как подлечить постаревший и уставший глаз. На этом пути ещё много не открыто. Дерзайте!

4. Домашнее задание: выполнить лабораторную работу № 13 – 15.

 

конференция на тему «Физика и человек»

Подготовка конференции начинается с темы первого урока, школьники делятся на группы, получают задания. На уроке представители групп выступают с докладами, отчетами.

Приведем примеры заданий.

1. Выставка научно-популярной литературы по теме «Физика человека». (Характеристика одно – двух наиболее интересных книг).

2. Организм человека – единое целое.

3. Опора и движение человека;

4. Газообмен в легких и тканях человека;

5. Пищеварение человека;

6. Кровообращение человека.

Ход мероприятия

1. Вводные слова (Во вступительном слове учитель отмечает тему, форму проведения и цели мероприятия. Физика – наука о природе. Человек – неотъемлемая часть природы.

Первейшая потребность человека – сохранение его жизни и здоровья. Отсутствие болезни – непременное условие человеческого счастья, всестороннего развития, ощущения полноты жизни. Одновременно здоровье населения – это народное достояние, важнейшее условие развития общества. Здоровье позволяет человеку учиться, трудится, заниматься спортом и т.д. не зря говорят: “Здоров будешь – всё добудешь”.

Чтобы сохранить здоровье, нужно изучать свой организм, процессы, происходящие в нем.

2. Выступление ребят с сообщениями (После каждого сообщения учитель задает вопросы всем ребятам. Содержание ответов должно быть с точки зрения физических знаний).

“Познай себя, свой организм, своё физическое тело с точки зрения физики”.

2. Опора и движение

Вопросы к изучению:

─             Объясните с точки зрения физики почему у сустава блестящий гладкий хрящ?

─             Объясните значение суставной жидкости?

─             Опорно-двигательный аппарат человека можно рассматривать как систему рычагов трех видов. Приведите примеры?

3. Газообмен в легких и тканях.

Вопросы к изучению:

─             Какое физическое явление лежит в основе дыхания?

─             Объясните с точки зрения физики значение плевральной жидкости?

─             Что дает с точки зрения физики тонкая стенка и огромная площадь альвеол?

─             Почему в дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими?

4. Пищеварение.

Вопросы к изучению:

─             Объясните с точки зрения физики процессы измельчения пищи и смачивания ее слюной?

─             Какое физическое явление лежит в основе всасывания?

─             Объясните значение огромной площади слизистой оболочки кишечника?

5. Кровообращение.

Вопросы к изучению:

─             Для чего с точки зрения физики необходима жидкость в околосердечной сумке?

─             Почему сосуды имеют разную толщину?

─             Благодаря какому физическому явлению кровь доставляет тканям и клеткам человека питательные вещества, кислород?

3. Заключение.

Итак, сегодня мы доказали, что:

ü  существует взаимосвязь двух наук о природе: биологии и физики;

ü  человеческий организм и его действия также интересны для физики, как и любые

ü  другие окружающие природные явления;

ü  законы природы едины;

ü  законы физики применимы к живому организму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 1.

Проведение антропологических измерений

Цель: научиться измерять и оценивать показатели физического развития;

- определить объем и плотность своего тела.

Оборудование: ростомер, напольные весы, сантиметровая лента.

Порядок выполнения работы

Измерение роста

Измерение роста проводится с помощью ростомера. Испытуемый должен встать на платформу ростомера, касаясь вертикальной стойки пятками, ягодицами, межлопаточной областью и затылком. Экспериментатор измеряет рост испытуемого и записывает полученный результат.________________________________________________________________________.

Измерение окружности грудной клетки

Экспериментатор с помощью сантиметровой ленты измеряет окружность грудной клетки. Для этого испытуемый поднимает руки, экспериментатор накладывает ленту так чтобы она проходила по нижним углам лопаток. Спереди лента должна проходить по среднегрудинной точке и плотно прилегать к телу. Затем испытуемый опускает руки. Окружность груди измеряется в трех фазах:

во время обычного спокойного дыхания (в паузе)

_________________________________________________________________________________,

 при максимальном вдохе

 _________________________________________________________________________________

и максимальном выдохе

_________________________________________________________________________________.

Определите экскурсию грудной клетки – разность между величинами окружности груди на выдохе и вдохе. Полученный результат запишите

_________________________________________________________________________________.

Определение массы тела

Измерение проводится с помощью медицинских весов. Полученный результат запишите.

_________________________________________________________________________________

Сделайте вывод о степени вашего физического развития.

Определение объема и плотности своего тела

Последовательность выполнения работы

Измерьте длину l (м) и ширину b (м) ванны в вашей квартире.

_________________________________________________________________________________

Налейте в ванну теплой воды  и отметьте карандашом ее уровень.

Погрузитесь в воду и отметьте ее новый уровень. Измерьте высоту подъема воды Δh (м).

_________________________________________________________________________________

Найдите объем вытесненной воды, а, следовательно, и объем тела V_r (без учета объема головы):

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Форма ванны может заметно отличаться от параллелепипеда, поэтому объем вытесненной воды более точно можно узнать экспериментально, доливая воду ведром (или емкостью известного объема) до сделанной вами отметки.

Для того чтобы учесть и объем головы d (м) и, считая ее шаром, рассчитайте объем:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рассчитайте общий объем V_общ (м³) своего тела:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Измерьте массу своего тела m (кг) с помощью весов.

_________________________________________________________________________________

Найдите плотность ρ (кг/м³) своего тела:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сравните результаты своего тела с плотностью воды.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 2.

Определение средней скорости движения

Цель работы: научиться определять скорость равномерно движущегося объекта без использования измерительных приборов.

 

Последовательность выполнения работы

Взяв за точку отсчета входную дверь подъезда своего дома, подсчитайте количество шагов N, например до входной двери школы. Одновременно по часам измерьте промежуток времени t(с) вашего движения

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Зная среднюю длину своего шага l_ср, найдите расстояние S (м) от дома до школы.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите среднюю скорость движения v_ср (м/с):

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

На основании данных, полученных на уроках физкультуры, рассчитайте среднюю скорость своего бега на 60 м. Это максимальная скорость v_max вашего движения.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сравните среднюю скорость своего движения с максимальной скоростью.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Запишите ответ и сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

лабораторная работа № 3.

Определение времени реакции человека.

Цель работы: определить важную характеристику организма человека – время его реакции.

Приборы и принадлежности: деревянный метр.

 

Последовательность выполнения работы

Один из участников опыта прижимает вертикально расположенный деревянный метр к стене так, чтобы середина метра находилась на уровне отметки на стене.

Затем, отвлекая внимание стоящего рядом партнера, отпускает метр в свободное падение. Второй участник должен остановить падение метра, прижав его к стене, так быстро, как сможет.

Отметив новое положение середины метра, измеряют длину его пролета h по расстоянию между метками.

Вычисляют время реакции t по формуле

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторяют опыт с другим участником.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделать вывод:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 4.

Градуировка динамометра и определение становой силы человека.

Цель работы: проградуировать самодельный динамометр и определить становую силу человека, силу обеих рук.

 

Последовательность выполнения работы.

Подвешивая разные грузы к динамометру, определите в каждом случае удлинение пружины x. Результаты запишите в таблицу.

Таблица.

m, кг
F, Н
x, м

По данным таблицы постройте график зависимости F=f(x).

 

Вычислите жесткость пружины.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Измерьте удлинение пружины динамометра, соответствует действию становой силы человека. По графику определите значение становой силы.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

При помощи ручного динамометра определите силы, развиваемые руками человека.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

При помощи ручного динамометра определите силы, развиваемые обеими руками человека.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод, запишите ответ.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 5.

определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

Цель работы: определить значение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

 

Последовательность выполнения работ.

Один из участников опыта встает на доску. Другой поднимает ее за один край до тех пор, пока стоящий на доске человек не начнет с нее соскальзывать.

Измерьте высоту подъема доски h в момент соскальзывания с нее человека. Измерьте длину доски l.

Вычислите коэффициент трения по формуле

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыт для поверхностей из других материалов.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод, запишите ответ.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 6

Определение мощности, развиваемой человеком.

Цель работы: определить значения развиваемой человеком мощности в разных физических упражнениях.

Приборы и принадлежности: секундомер, деревянный метр.

 

Последовательность выполнения работы.

Определение работы и мощности рук.

Измерьте массу своего тела m (кг) с помощью весов._______________________________

В спортивном зале поднимитесь по канату без помощи ног, измерьте время подъема t (с)._______________________________________________________________________________

Зная высоту h (м), на которую вы поднялись, рассчитайте работу своих рук A (Дж) при подъеме:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рассчитайте мощность N (Вт) своих рук:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Определение средней мощности, развиваемой при беге на дистанцию 60 м.

Пробежав дистанцию S=60м, измерьте время t(с) за которое вы преодолели дистанцию._______________________________________________________________________

Считая движение равноускоренным, вычислите среднюю мощность Nср , развиваемую вами при беге:

,

при

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Определение средней мощности, развиваемой при приседании.

Измерьте высоту своей поясницы H (м).__________________________________________

Измерьте высоту своего тела h (м) в положении «присев» (центр тяжести тела при этом находится примерно на высоте 0,5 h.___________________________________________________

Сделайте n приседаний за промежуток времени  t (с)._______________________________

Вычислите развиваемую мощностьN (Вт).

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сравните результаты полученные вами значения мощности с результатами, полученными другими участниками опыта.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Запишите все результаты, стараясь расположить из в порядке развиваемой мощности.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод, запишите ответ.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 7

Определение дыхательного объема легких

Цель работы: определить один из важнейших параметров организма человека – дыхательный объем его легких.

Приборы и принадлежности: воздушный шарик, линейка, номограмма для определения площади поверхности.

 

Последовательность выполнения работы.

Упражнение 1

Определение объема легких человека по площади поверхности его тела.

Вычислите площадь поверхности тела человека по формуле

,

где S – площадь поверхности м²; m – масса тела, кг; l – длина тела, м.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рассчитайте объем легких человека по формуле

 или ,

где V – объем, м³; S – площадь, м².

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Формулы приведены для вычисления объема легких соответственно мужчин и женщин, так как считается, что каждому квадратному метру поверхности тела мужчины соответствует 2500 мл, а женщины -  2000 мл объема легких.

Определите площадь поверхности тела человека с помощью номограммы. Для этого соедините при помощи линейки прямой линией показатели массы и длины тела. Точка пересечения этой прямой со шкалой S даст значение площади поверхности.

Рассчитайте объем легких.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сравните результаты определения S разными способами.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод и  запишите ответ.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 2

Определение дыхательного объема легких при помощи самодельного спирографа.

В качестве самодельного спирографа предлагается использовать воздушный шарик. Этот выбор определяется возможностью иметь для каждого участника эксперимента свой прибор, не требующий дезинфекции при каждом использовании. При выдохе воздуха в шарик он надувается. Объем шарика можно вычислить, если измерить его диаметр, по формуле .

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Измерьте дыхательный объем своих легких Vдых. Для этого сделайте в шарик через рот 10 спокойных выдохов. Измерьте диаметр шарика, вычислите объем заполняющего его воздуха. Вычислите дыхательный объем легких, разделив объем шарика на 10.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыт 3 раза, вычислите средний дыхательный объем легких и запишите результат в таблицу.

Измерьте резервный объем выхода V_р.выд.. сразу после спокойного выдоха возьмите отверстие шарика в рот и сделайте максимально глубокий выдох. Определите объем шарика. Повторите опыт 3 раза, вычислите средний резервный объем выдоха, запишите результаты в таблицу.

Для определения жизненной емкости легких, взяв отверстие шарика в рот, сделайте глубокий вдох и максимально выдохните в шарик. Не отнимая шарик ото рта, повторите действия 5 раз. Определите диаметр и рассчитайте объем получившегося шара. Вычислите жизненную емкость легких (ЖЕЛ), поделив объем шара на 5. результат запишите в таблицу.

Таблица.

Основные параметры дыхания человека	Числовые значения
Возраст, лет Пол Масса, кг Длина тела, м Площадь поверхности, м2 Дыхательный объем Vдых , л Резервный объем выдоха Vр.выд, л ЖЕЛ, л Резервный объем вдоха Vр. вд. , л ЖЕЛ, л (теоретическая) МЛВ, л/мин МЛВ, л/мин (теоретическая)

Рассчитайте резервный объем вдоха V_{р. вд.}  по формуле

Результаты запишите в таблицу.

Вычислите теоретическое значение своей жизненной емкости легких (в литрах) по формуле

 (для юношей) или  (для девушек).

Результаты запишите в таблицу.

Сравните результаты определения основных параметров дыхания человека разными способами между собой и с нормой. Норма для ЖЕЛ составляет 2,8 – 3,8 л для юношей и 2,5-2,8 л для девушек

Сделайте вывод и запишите ответ.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 3

Определение максимальной легочной вентиляции (МЛВ)

Возьмите в рот отверстие воздушного шарика. В течение 10 с дышите часто и глубоко, выдыхая воздух  в шарик.

Измерьте МЛВ по формуле МЛВ=6V. Результат запишите в таблицу.

Вычислите МЛВ, представляющую норму для вашего возраста и пола, по формуле.

 (для юношей) или  (для девушек).

Результаты запишите в таблицу.

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

лабораторная работа № 8

Проведение инструментальных измерений и функциональных проб

Цель работы: определить характеристические параметры работы сердечно-сосудистой системы человека – артериальное давление, систолический и минутный объем крови.

Приборы и принадлежности: прибор для измерения давления, фонендоскоп, секундомер.

 

Последовательность выполнения работы.

Ознакомьтесь с устройством прибора для измерения давления крови.

Обнажите левую руку участника опыта, плотно оберните манжету прибора вокруг середины его плеча так, чтобы ее нижний край находился на 2,5 – 3 см выше локтевого сгиба.

Установите фонендоскоп на лучевой артерии в области локтевого сгиба.

Проверьте уровень ртути в манометре: он должен стоять на нулевой отметке. Нагнетайте воздух в манжету до тех пор, пока манометр не покажет 160-180 мм рт.ст. (до полного исчезновения пульса).

Медленно выпускайте воздух из манжеты. С помощью фонендоскопа установите момент, когда появится первый звук. Показания манометра при этом дадут значение систолического (верхнего) давления крови в артерии

_________________________________________________________________________________

Зафиксируйте момент прекращения звука. Показания манометра в этот момент будут соответствовать значению диастолического (нижнего) давления крови.

_________________________________________________________________________________

Вычислите пульсовое давление как разницу между верхним и нижним давлениями.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите систолический объем крови по формуле

,

где СО – систолический объем, мл; ПД – пульсовое давление, мм.рт.ст.; ДД – диастолическое давление, мм.рт.ст; А – возраст человека, год.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

С помощью секундомера определите число сокращений сердца в минуту.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите минутный объем крови по формуле

,

где МОК – минутный объем крови, мл; ЧСС – число сокращений сердца в минуту.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Проверьте влияние физической нагрузки на кровяное давление и пульс.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Измерьте МОК человека в положении лежа.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Артериальное давление

Манжетку тонометра оборачивают вокруг левого плеча испытуемого (предварительно обнажив левую руку). В области локтевой ямки устанавливают фонендоскоп. Левая рука испытуемого разогнута и под локоть подставляется ладонь правой руки. Экспериментатор нагнетает воздух в манжетку до отметки 150 — 170 мм рт. ст. Затем воздух из манжетки медленно выпускается и прослушиваются тоны. В момент первого звукового сигнала шкала прибора показывает величину систолического давления (так как в этот момент только во время систолы левого желудочка кровь проталкивается через сдавленный участок артерии). Экспериментатор записывает величину давления. Постепенно звуковой сигнал будет ослабевать и исчезнет. В этот момент на шкале можно видеть величину диастолического давления. Экспериментатор фиксирует и эту величину. Для получения более точных результатов опыт следует повторить несколько раз.

1.Сравните данные, полученные в эксперименте со среднестатистическими табличными данными по артериальному давлению для вашего возраста. ______________________________,

2.Рассчитайте значения пульсового (ПД), среднего артериального (АДср) и собственного артериального давлений (АДсист и АДдиаст). Известно, что в норме у здорового человека пульсовое давление составляет примерно 45 мм рт. ст.

Артериальное (АД):

АДсист. = 1,7 х возраст + 83___________________________________________________

АДдиаст. = 1,6 х возраст + 42__________________________________________________

Пульсовое (ПД):

ПД = АДсист. — АДдиаст.____________________________________________________

Среднее артериальное (АДср):

Адср. = (АДсист. — АДдиаст.)/3 + АДдиаст._____________________________________

Сравните расчетные данные, полученные в эксперименте, с данными, представленными в таблице.

Средние показатели максимального и минимального давления крови для учащихся

Возраст, лет	Мальчика	Девочки
7 – 8	98/66	98/67
9 – 10	102/69	102/70
11 – 12	105/71	105/72
13 – 14	109/73	109/74
15	112/75	112/72
16	118/73	116/72
17	119/75	118/76
18	120/80	120/80

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Лабораторная работа № 9.

Подсчет пульса до и после дозированной нагрузки

Цели: научиться подсчитывать пульс и определять частоту сокращений сердца; сделать вывод об особенностях его работы в разных условиях.

Оборудование: часы с секундной стрелкой.

 

Последовательность выполнения работы.

1. Найдите пульс, приложив два пальца, как это показано на рисунке на внутреннюю сторону запястья. Слегка надавить. Вы почувствуете биение пульса.

2. Подсчитайте число ударов за 1 мин в спокойном состоянии. Данные внесите в таблицу.

3. Сделать 10 приседаний и снова подсчитать число ударов за 1 мин. Данные внести в таблицу.

4. После 5 мин отдыха в положении сидя подсчитать пульс и внести данные в таблицу.

Число ударов за 1 минуту
В положении сидя	После 10 приседаний	После 5 минут отдыха в положении сидя.

Сделайте вывод, запишите ответ.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

Лабораторная работа № 10.

Изучение свойствуха человека.

Цель работы: получить спектральную характеристику уха человека на пороге слышимости.

Приборы и принадлежности: звуковой генератор (ЗГ), осциллограф.

 

Последовательность выполнения работы.

Включите ЗГ и осциллограф в сеть. Выходное напряжение с ЗГ подайте на вертикальные пластины осциллографа.

Установите на ЗГ выбранную частоту. Добейтесь максимальной интенсивности звука при данной частоте.

Уменьшайте интенсивность звука до тех пор, пока он не пропадет. Отметьте амплитуду колебаний сигнала на экране осциллографа, соответствующую этому моменту. Результаты занесите в таблицу.

Таблица.

Ν, Гц
I, дел

Повторите опыт 8 –10 раз для разных частот.

Постройте график зависимости спектральной характеристики уха на пороге слышимости I=φ(f).

 

Сделайте вывод, запишите ответ.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Лабораторная работа № 11.

Подсчет энергетических затрат и определение калорийности рациона

Цель: научиться рассчитывать возможные энергозатраты при физических нагрузках.

Последовательность выполнения работы.

 

Расчеты можно проводить после выполнения любой физической нагрузки. Формула позволяет установить энергозатраты, совершаемые человеком в 1 мин, по частоте сердечных сокращений (ЧСС).

Формула расчета энергозатрат человека в 1 мин при любой физической нагрузке

Q =2,09(0,2xЧСС–11,3)кДж/мин 

Пример. Допустим, вы 30 мин катались на лыжах, частота сердечных сокращений достигла 120 ударов в минуту. Подсчитаем энергозатраты за 1 мин:

Q =2,09 (0,2 x120 — 11,3) = 2,09 (24 — 11,3) = 26,5 кДж/мин.

Ответ: за 30 мин израсходовано 795 кДж.

Рассчитайте энергозатраты человека, который плавал в бассейне в течение 15 мин, после чего частота сердечных сокращений достигла130 ударов в минуту.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

На основании полученного результата сделайте вывод о зависимости количества затраченной энергии от частоты сердцебиения.

 

 

Лабораторная работа № 12.

Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.

Цель работы: определить сопротивление тканей тела человека постоянному и переменному электрическому току.

Приборы и принадлежности: элементы электрических цепей, изображенных на рисунках , проводники, свинцовые пластинки-электроды, применяемые для электропроцедур.

 

Последовательность выполнения работы.

Упражнение 1

Определение сопротивления тканей тела человека постоянному электрическому току.

Соберите цепь в соответствии с рисунком. Выключите потенциометр. Переключатель П поставьте в положение а.

Замкните ключ и медленным перемещением движка потенциометра установите силу тока 100 мкА.

Измерьте U и I.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Перебросьте переключатель П в положение b и по максимальному отбросу милливольтметра определите ЭДС поляризации.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите сопротивление

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыт для другого участка тела.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Запишите ответ, сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 2

Определение сопротивления тканей тела человека переменному электрическому току.

Соберите цепь в соответствии с рисунком. Закрепите электроды на том же участке тела, что и в упражнении 1.

Установите ползунком реостата U=0. Замкните ключ.

Медленным перемещением движка установите ток 100 мА.

Измерьте U и I.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите сопротивление R.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Опыт повторите трижды. (Больше трех опытов делать не рекомендуется, так как скапливающиеся у клеточных мембран ионы рассасываются медленно, что ведет к искажению результатов.)

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

Лабораторная работа № 13.

Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.

Цель работы: наблюдать такие свойства зрения человека, как его бинокулярность, «борьбу полей зрения», способность к аккомодации.

Приборы и принадлежности: рисунок для обнаружения слепого пятна; булавки, укрепленные на основании; штатив; ширма с двумя отверстиями, расстояние между которыми меньше диаметра зрачка; рисунок для определения «борьбы полей зрения», лист белой бумаги.

 

Последовательность выполнения работы.

Упражнение 1

Обнаружение аккомодации глаза.

Посмотрите через отверстие в ширме на штатив, находящийся на расстоянии 2 – 4 м от глаза.

На расстоянии 25-30 см от глаз поместите булавку. Обратите внимание на ее раздвоение.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Закройте одно из отверстий ширмы. Отметьте момент, когда исчезнет изображение булавки.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыт с булавкой. Отметьте момент раздвоения штатива и исчезновение его изображения при закрывании одного из отверстий ширмы.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Объясните наблюдаемые явления и зарисуйте соответствующие схемы хода лучей.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Упражнение 2

Обнаружение слепого пятна.

Поместите перед глазами рисунок.

Закрыв правый глаз, левым посмотрите на крест, расположенный в правой части рисунка.

Приближая и удаляя рисунок от глаза, убедитесь, что на определенном расстоянии изображенный в левой части рисунка круг выпадает из поля зрения.

Повторите опыт для другого глаза.

Объясните наблюдаемое явление и зарисуйте соответствующие схемы хода лучей.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Упражнение 3

Обнаружение «борьбы полей зрения».

Сверните из бумаги трубку в форме конуса длиной 15-20 см.

Посмотрите на рисунок.

Переводя взгляд вдаль или надавливая на одно из глазных яблок, пронаблюдайте за изменением изображения. Опишите, что вы увидели. (Изображения квадратов начнут сближаться, пока не окажутся полностью наложенными друг на друга. При этом изображения обоих квадратов попадут на идентичные участки сетчатки обоих глаз. Однако в результате «борьбы полей зрения» линии штриховки квадратов одновременно видны не будут. Будет появляться то одно, то другое изображение, или одни линии будут сменять другие в разных частях квадрата.)

Приставьте трубку широкой стороной к правому глазу, а к левому на уровне узкой части раструба приставьте ладонь. Смотрите обоими глазами так, чтобы взгляд левого глаза был направлен на ладонь, а правого - в раструб. Опишите, что вы увидели. (Вы должны увидеть, что ладонь кажется «продырявленной». Это объясняется тем, что поле зрения левого глаза оказывается сильнее, чем правого, в результате чего видна ладонь, приставленная к раструбу. Однако небольшой участок поля зрения правого глаза (отверстие раструба) освещен сильнее. Отсюда и «дырка» в предмете.)

Опишите свои ощущения письменно. Как вы объясните наблюдаемые явления? .

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 4

Изучение особенностей бинокулярного зрения.

Один из участников опыта вкалывает 2 булавки в верхнюю часть деревянного бруска на некотором расстоянии друг от друга и, загородив опору ширмой, поворачивает устройство так, чтобы булавки оказались примерно на одном луче зрения.

Другой участник опыта, поочередно глядя на булавки то одним, то другим глазом, должен определить, какая из булавок находится ближе к нему.

Сравните результаты предыдущего опыта с результатом, полученным при рассматривании булавок обоими глазами.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод о преимуществе зрения двумя глазами для оценки глубины расположения предметов.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Поясните свои рассуждения схемой хода лучей.

Установите примерно на одном луче зрения булавку и штатив. Глядя на булавку обоими глазами, наблюдайте, что будет происходить с изображением штатива.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Фиксируйте глазами штатив. Наблюдайте, что происходит с изображением булавки.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыты, по очереди закрывая то один глаз, то другой.

Объясните происходящее в опытах с помощью схемы. Что будет, если при раздвоении изображений закрыть сначала левый, а потом правый глаз?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Лабораторная работа № 14.

Определение характеристических параметров зрения человека.

 

Цель работы: определение силы аккомодации и остроты зрения, а также диаметра слепого пятна глаза человека.

Приборы и принадлежности: ширма с двумя отверстиями, расстояние между которыми меньше диаметра зрачка; две булавки, укрепленные на подставках; измерительная лента; карандаш, обернутый белой бумагой; лист белой бумаги; рисунок для определения остроты зрения.

 

Последовательность выполнения работы.

Упражнение 1

Определение силы аккомодации глаза (работа выполняется вдвоем).

Определите ближнюю точку ясного видения. Для этого закройте один глаз, перед другим поместите ширму. Глядя открытым глазом через ширму на булавку, начните постепенно приближать ее к ширме. Определите и измерьте расстояние, на котором изображение булавки начнет раздваиваться. Результаты запишите в таблицу как положение ближней точки ясного видения для открытого глаза.

Таблица.

Определите ближнюю точку ясного видения (возможно только для близорукого глаза). Для этого булавку, наоборот, постепенно удаляйте от глаз. Отметьте расстояние, при дальнейшем увеличении которого изображение булавки начнет раздваиваться. Результаты запишите в таблицу.

Вычислите оптическую силу хрусталика при отсутствии аккомодации или , где а₁ – расстояние до дальней точки ясного видения; b – расстояние до сетчатки; F₁ – фокусное расстояние глаза.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите оптическую силу хрусталика при наибольшей аккомодации глаза:

, или , где а₂ – расстояние до ближней точки ясного видения; b - расстояние до сетчатки; F₂ – фокусное расстояние глаза при напряженном состоянии хрусталика.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите силу аккомодации глаза:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Проделайте опыт для другого глаза.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Нарисуйте схему хода лучей в рассмотренных случаях.

 

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 2

Определение размеров слепого пятна глаза.

Нарисуйте в верхнем углу листа бумаги крест. Закройте левый глаз, правым фиксируйте изображение креста. Из правого верхнего угла по направлению к кресту ведите карандаш, обернутый белой бумагой. Отметьте расстояние ВС, на котором изображение карандаша перестанет быть видимым, и расстояние АС, на котором опять возникнет изображение карандаша.

Измерьте расстояние ОК от глаза до изображения.

По формуле  определите диаметр слепого пятна. (Расстояние OL от узловой точки глаза до сетчатки примите равным 17 см. Расстоянием от узловой точки до роговицы за малостью можно пренебречь.)

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите опыт для другого глаза.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите средний диаметр слепого пятна ваших глаз.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Упражнение 3

Определение остроты зрения.

Прикрепите к доске чертеж, изображенный на рисунке.

Постепенно отходя от чертежа, определите расстояние, на котором обе линии перестанут восприниматься раздельно. Измерьте его.

_________________________________________________________________________________

Измерьте расстояние между линиями чертежа

_________________________________________________________________________________

По формуле  вычислите расстояние между двумя изображениями линий рисунка на сетчатке.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вычислите разрешающее угловое расстояние глаза по формуле

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Определите остроту своего зрения по формуле , где х=5*10^{-5 м - расстояние, соответствующее разрешающему угловому расстоянию нормального глаза, равному 1'.}

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите измерения и вычисления для другого глаза.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Лабораторная работа № 15.

определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза

Цель работы: определить спектральные границы чувствительности человеческого глаза, используя дифракционную решетку.

Приборы и принадлежности: лампа накаливания, прибор для определения длины световой волны.

 

Последовательность выполнения работы.

 

Включите лампу и расположите ее за экраном со щелью.

Установите экран на расстоянии L от дифракционной решетки. Рассматривая щель в экране через дифракционную решетку, изменением взаимного положения экрана и лампы добейтесь наилучших условий видимости.

Измерьте расстояния от центра щели на экране до красного и фиолетового краев спектра. Измерьте эти расстояния по правую и по левую сторону от щели на экране и найдите их средние значения.

_______________________________________________________________________________

По измеренному расстоянию до положения красного края спектра и расстоянию от дифракционной решетки до экрана вычислите тангенс угла по формуле

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Определите угол, а затем синус полученного угла (sin φ_кр).__________________________

По известному значению постоянной решетки d и найденному значению синуса угла определите длину волны красного света на границе воспринимаемого глазом спектра:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Повторите измерения и вычисления для фиолетового спектра.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделайте вывод.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Список литературы

1.      Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.

2.      Безденежных Е.А., Брикман И.С. Физика в живой природе и медицине. – Киев, 1976.

3.      Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолга. – М., 1986.

4.      Бутырский Г.А. Экспериментальные задачи по физике 10-11 класс. - М.: Просвещение, 2000.

5.      Беркинблит М.Б. и др. Электричество в живых организмах. - М.: Наука, 1988.

6.      Боярова О. и др. С головы и до пят. - М.: Детская литература, 1967.

7.      Булат В.А. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974.

8.      Гальперштейн Л. Здравствуй физика! - М.: Просвещение, 1973.

9.      Газенко О.Г., Безопасность и надежность человека в космических полетах.// Наука и жизнь. – 1984 № 3.

10.  Гнедина Т.Е. Физика и творчество в твоей профессии: Книга для учащихся старших классов. -М.: Просвещение, 1988.

11.  Гуминский А.А., Леонтьев Н.Н., Маринова К.В. Руководство к лабораторным занятиям по общей и возрастной физиологии. – М., 1990.

12.  Енохович А.С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1991.

13.   Елькин В.И. Необычные учебные материалы по физике. - М.: Школа-Пресс, 2001.

14.  . Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии, биологии. - М.: Просвещение, 1986.

15.  Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988.

16.  Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике. - М.: Просвещение, 1977.

17.  Ланина И.Я. Не уроком единым. - М.: Просвещение, 1991.

18.  Манойлов В.Е. Электричество и человек. – Л.: Энергоатомиздат, 1988.

19.  Мэрион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. – М., 1986.

20.  Пиотровский М.Ю. Физика для биологов. – М.; - Л., 1936.

21.  Популярная медицинская энциклопедия. – М., 1979.

22.  Рыдник В.И. О современной акустике. - М.: Просвещение, 1979.

23.  Сахаов Д.И. Сборник задач по физике. – М., 1967.

24.  Сергеев Б.А. Занимательная физиология.- М.: Просвещение, 1977.

25.  Силин А.А. Трение и мы. – М., 1987.

26.  Синичкин В.П. Синичкина О.П. Внеклассная работа по физике. – Саратов: Лицей, 2002.

27.  Суорц Кл.Э. необыкновенная физика обыкновенных явлений, - М., 1986.

28.  Хуторской А.В., Хуторская Л.Н. Увлекательная физика. - М.: АРКТИ, 2000.

29.  Хрипкова А.Г. Физиология человека. - М.: Просвещение, 1971.

Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика. - М.: АСТ, 1998.

Скачано с www.znanio.ru