Некоторые биофизические показатели человеческого организма.

Государственное казенное образовательное учреждение

города Москвы

специальная (коррекционная) общеобразовательная

школа-интернат №2

Проектная работа

по теме:

Некоторые биофизические показатели человеческого организма.

Авторы                                 Шаройко Наталья 7 а класс

   Галошина Анна 7 а класс

Руководители проекта:     Романова Мария Викторовна,

 учитель физики

Лютов Валентин Николаевич,

учитель биологии, ответственный за

инновационную работу в ОУ

Москва

2017

Тема проекта: Некоторые биофизические показатели человеческого организма.

Актуальность: Человеческий организм и его действия так же интересны для физики, как и любые другие окружающие нас природные явления и предметы. В данной работе мы рассмотрим вопросы, относящиеся к физическим свойствам и особенностям человека, а также изучим экспериментально, насколько это возможно в рамках школьной физической лаборатории. Их можно использовать для объяснения различных жизненных ситуаций, при обсуждении ряда проблем о человеческом организме.

Цель проекта:

• изучить физические особенности организма человека с точки зрения физики.

Основные задачи деятельности: исследовать некоторые физические показатели человека:

• среднюю плотность человека;
• жизненную емкость легких;
• среднюю скорость движения из дома в школу;
• силу рук при выполнении упражнения на перекладине;
• давление, оказываемое на пол;
• механическую работу и мощность при подъеме с 1 этажа на 3 этаж школы;
• максимальную скорость движения пальца руки.

Объект исследования: человек и его физические данные, с точки зрения закономерности при изучении программы физики 7 класса.

Предмет исследования: физические свойства человека.

Методы исследования:

• Физический эксперимент.
• Математическая обработка полученных данных.
• Анализ современной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Теоретическая часть:

Диффузия в организме человека.

Для чего еженедельно человек ходит в баню. Когда мы моемся и паримся, в нашем теле открываются поры. Эти поры необходимы для организации жизни наших клеток. В процессе дыхания большую роль играет диффузия. Диффузия- это взаимное проникновение молекул одного вещества в другое.

Дыхание - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы.

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. Ритмичное дыхание грудной клетки ещё не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе за счет работы мышц (межреберных и диафрагмы) объём грудной клетки увеличивается. При этом давление воздуха в лёгких падает ниже атмосферного: вследствие образовавшейся разности давления происходит вдох. Затем вследствие расслабления мышц объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких становится выше атмосферного – происходит выдох. Грудная клетка может расширяться одновременно в трех взаимно – перпендикулярных направлениях: вертикальном, поперечном и передне – заднем.

Испарение воды в организме человека.

Организм человека на 65% состоит из воды. За сутки человек, в зависимости от рода работ, испаряет с поверхности кожи и легких от 800 до 2000 грамм и больше воды. Скорость процессов испарения, а вместе с тем и самочувствие человека существенно зависят от влажности окружающего воздуха. Длительное пребывание в жарком воздухе, обильно насыщенном водяными парами, затрудняет процессы испарения и вместе с тем нарушает нормальный тепловой обмен в организме. Человек чувствует вялость, и его трудоспособность понижается.

Человек на дне воздушного океана.

Человек живет на дне воздушного океана. Большая часть органов и тканей в организме содержит жидкости и газы под давлением, приблизительно равным атмосферному. Исключение в этом отношении составляют межплевральное пространство грудной клетки, сердечно-сосудистая система, полости, заполненные спинномозговой жидкостью, а также полости суставов. Сообщение этих полостей с наружным воздухом нарушает нормальную деятельность организма.

Закон Паскаля при работе сердца.

Давление, передаваемое от сердца во все сосуды в артериях, составляет соответственно 120 и 80 мм. рт. столба. Давление во всех частях кровеносного сосуда одинаково по закону Паскаля.

Выполнение механической работы человеком.

Ежедневно человек совершает определенную механическую работу. Эту работу можно вычислять и анализировать, насколько она важна для человека. При выполнении работы затрачивается определенная энергия. Энергия берется и вырабатывается от пищи, которую употребляет человек. Эту энергию тоже можно вычислить.

Простые механизмы в организме человека.

В организме человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвоночник), фаланги пальцев. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа. Здесь ось вращения рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы, позади - сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

«Колющие орудие» ногти, зубы – по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость). Многие из этих клиньев имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота.

Где центр тяжести?

Центр тяжести тела человека находится в сагиттальной плоскости, несколько впереди второго крестцового позвонка.

Физические показатели человека.

Для начала заглянем в Книгу рекордов Гиннеса и поинтересуемся ростом, весом и другими показателями людей.

Великаны:

1. Роберт Першинг Уодлоу (США, 1918-1940) имел рост 272 см, размах рук 288 см, вес 222,7 кг, обувь – 47 см, длину ладони – 32,4 см.

2. Габриэль Эставао Моньяне (Мозамбик, родился в 1944 г) имеет рост 245 см, вес 189 кг.

Карлики:

1. Полин Мастерс (Голландия, 1876-1895) имела рост 59 см, вес 3,4 кг.

2. Колвин Филипс (США, 1791-1812) имел рост в 19 лет 67 см, вес с одеждой 5,4 кг.

Толстяки:

1. Ион Бровер Миннока (США, 1941-1983) имел рост 185 см. В 1963 г весил 181 кг, в 1966 г – 317 кг, в 1976 г – 442 кг, в марте 1978 г – 625 кг. Чтобы повернуть его на кровати, требовалось 13 человек.

2. Самый тяжелый живущий – Кент Николсон. Он имеет вес 407 кг, объем груди 305 см, талии – 294 см, бедер – 178 см, шеи – 75 см.

Память человека способна вместить столько информации, сколько ее имеется в хранилище самой крупной библиотеки.

А. Македонский знал в лицо каждого из 30 тысяч своих солдат.

Генрих Шлиман за 6-8 недель мог освоить иностранный язык.

Ученый - физик Абраам Федорович Иоффе по памяти пользовался таблицей логарифмов.

Практическая часть:

Лабораторная работа №1.

«Определение средней плотности человека».

Цель: определить среднюю плотность человека.

Оборудование: электронные весы, мерное ведро, ванна.

Ход работы:

1. Определить массу тела .

2. Определить объем тела  в ванне.

3. Определить среднюю плотность человека .

I. Теоретическая часть.

Формула для вычисления. 

II. Практическая часть.

Вычисления

1=56 кг : 0,052 м3= 1076 кг/м3

2=56 кг : 0,055 м3= 1018 кг/м3

Средняя плотность равняется =(1076+ 1018) : 2= 1047 кг/м3

Вывод: средняя плотность человека 1047 кг/м3. (Табличное значение средней плотности тела человека – 1036 кг/м3 .)

Лабораторная работа №2.

«Определение жизненной емкости легких».

Цель: опытным путем определить объем выдыхаемого воздуха за один цикл.

Оборудование: сантиметровая лента, надувной шарик округлой формы.

Ход работы:

1. Вдохнем воздух и максимально возможно выдохнем его в надувной резиновый шарик.

2. Измерим окружность шарика L.

3. Повторим опыт 5 раз. Результаты измерений занесем в таблицу.

4. Вычислим объем воздуха в шарике по формуле V = π * R 3, где R = L / (2 * π)

Общая формула V = L3 / (8 * π2)

I. Теоретическая часть.

V = π * R3, где R = L / (2 * π)

Общая формула V = L3 /(8 * π2)

II. Практическая часть.

Вычисления:

VНаташа. = 0,5543/ 8 * 3,142=0,002255 м3 = 2,255 литра.

VКатя. = 0,563/ 8 * 3,142=0,002226 м3 = 2,226 литра.

VАнна. = 0,563/ 8 * 3,142=0,002226 м3 = 2,226 литра.

VАрсений. = 0,5683/ 8 * 3,142=0,002323 м3 = 2,323 литра.

VРоман. = 0,5443/ 8 * 3,142=0,002041 м3 = 2,041 литра.

VЕгор. = 0,5043/ 8 * 3,142=0,001623 м3 = 1,623 литра.

Среднее значение по классу: 2,116 литра

Вывод: средняя емкость легких ученика нашего класса 2,116 литра.

Объём лёгких может быть измерен напрямую. Это количество воздуха при вдохе после глубокого выдоха. Средняя ёмкость лёгкого взрослого мужчины может составлять до 6 литров воздуха, обычно 3-4 литра, но только маленькая часть этого объема используется при нормальном дыхании. Нормальный дыхательный объём — это объём воздуха, проходящего через лёгкое во время спокойного вдоха и спокойного выдоха. Средний человек делает 16-20 вдохов в минуту.

Лабораторная работа №3.

«Определение средней скорости движения из дома в школу».

Цель: определить скорость движения семиклассников от метро «Аэропорт» в школу.

Оборудование: рулетка, секундомер.

Ход работы:

1. Определяем длину одного шага So.

2. Измерим расстояние от метро «Аэропорт» до школы S.

3. Измерим время движения t.

4. Определим скорость движения и сравним со скоростью автомобиля.

I. Теоретическая часть.

Sо = L : nо;

S= Sо * n;

V= S : t, где

S0 - длина одного шага, м;

n- количество шагов;

S - расстояние метро «Аэропорт» до школы, м;

t – время движения;

V- средняя скорость.

II. Практическая часть.

Вычисления:

 Sо1 = L : п = 13,6 : 20 = 0,68 м-

Sо2 = L : п = 12 : 20 = 0,60 м-

S1 = Sо1 * п1 = 0,68 м * 1910 шагов = 1298 м.

S2 = Sо2 * п2 = 0,60 м * 2250 шагов = 1350 м.

V1= S1 : t1 =1298 м / 1129 c = 1,15 м/с

V2= S2 : t2 =1350 м / 1261 c = 1,07 м/с

Вывод: скорость у I ученика равняется 1,15 м/с, а у II ученика – 1,07 м/с.

Лабораторная работа №4.

«Определение силы рук при выполнении упражнения на перекладине».

Цель: определить силы рук при выполнении упражнения на перекладине.

Оборудование: весы, ванна с водой, мерное ведро.

Ход работы:

1. Измерим массу тела m.

2. Повиснув на перекладине в спортзале на двух руках, почувствовать напряжение мышц руки.

3. Вычислим силу тяжести, действующую на тело по формуле Fт =m * g.

4. Определим объем своего тела Vт.

5. Найдем выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха по формуле

Fа =ρ воздуха*g*Vтела, , плотность воздуха примем 1, 29 кг/м3.

6. Найдем силу своей руки по формуле F = F т - F а.

I. Теоретическая часть.

Формулы для вычисления:

Fт =mg.

Fа =ρ г*g*Vт,

F = F т - F а.

II. Практическая часть.

Вычисления:

Fт =mg = 56 кг * 9,8 Н/кг= 548,8 Н

Fа =ρ гgVт, =1,29 кг /м3 * 9,8 Н/кг *0,055 м3 = 0,695 Н

F= Fт - FА= 548,8 Н – 0,649 Н= 548,1 Н

Вывод: Мы определили силу руки в висе на перекладине, и она оказалась равной

F = 548,1 Н

Лабораторная работа №5.

«Определение давления, оказываемого на пол».

Цель: определение давления при движении в школе.

Оборудование: весы, миллиметровая бумага, карандаш.

Ход работы:

1. Измерим массу тела m.

2. Обведем подошву своей обуви на листе миллиметровой бумаги.

3. Сосчитаем количество полных клеточек N1 и количество неполных клеточек N2 и рассчитаем площадь подошвы обуви по формуле

S = ( N 1 + 0,5 * N 2 )

4. Вычислим давление на пол по формуле Р = m *g / S .

I. Теоретическая часть.

Р = F/ S= m *g / S .

II. Практическая часть.

Вычисления:

Без обуви:

Р = 72 кг * 9,8 Н/кг / 0,0280 м 2 = 25714 Па

В обуви (туфли на каблуке):

Р = 72 кг * 9,8 Н/кг / 0,0058 м 2 = 124137 Па

Вывод: Мы определили давление своего тела на пол, и оно оказалось равным 25717 Па (без обуви) и 124137 Па (в обуви). В обуви давление оказалось в 4, 8 раза больше.

Лабораторная работа №6.

«Определение мощности при подъеме с 1 этажа на 3 школы по лестнице».

Цель: определить работу и мощность при подъеме с 1 этажа на 3 этаж школы.

Оборудование: весы, линейка, секундомер.

Ход работы:

1. Измерим массу тела m.

2. Измерим высоту одной лестницы hо.

3. Измерим время подъема с 1 этажа на 3 этаж школы 2 раза: медленно и бегом t.

4. Вычислим работу и мощность по формулам A =F * h =m*g*h; N=А : t

I. Теоретическая часть.

Формулы для вычисления:

A =F * h =m*g*h;

N=А : t

II. Практическая часть.

Вычисления:

Н=h*п Н=0,15*44= 6,6 м

A=F * Н =m*g*Н= 56 кг*9,8 н/кг* 6,6 м = 3622 Дж

N=А : t = 3622 Дж : 36,14 с = 100,2 Вт

N=А : t = 3622 Дж : 10,4 с = 348,3 Вт

Вывод: Мы определили среднюю мощность, развиваемую при подъеме с 1 этажа на 3 этаж школы медленно и бегом, и она оказалась равной

Nср = 100,2 Вт.

Nср = 348,3 Вт при беге.

Лабораторная работа №7.

«Определение максимальной скорости движения пальца вашей руки».

Цель: определение максимальной скорости движения пальца вашей руки.

Оборудование: камешек, линейка.

Ход работы:

1. Положив камешек на край стола, щелкнем по нему пальцем и заметим точку падения камешка на пол.

2. Измерить максимальное расстояние  от стола до места падения камешка, полученное в результате нескольких опытов.

3. Определить время полета камешка по формуле:

4. Определить максимальную скорость пальца  по формуле

Вычисления:

Дмитриев Егор:

максимальное расстояние – 1,4 метра,

время полета – 0, 53 секунды,

максимальная скорость пальца – 2,6 м/с.

Шаройко Наталья:

максимальное расстояние – 1,05 метра,

время полета – 0, 46 секунды,

максимальная скорость пальца – 2,28 м/с.

Давыдов Арсений:

максимальное расстояние – 1,79 метра,

время полета – 0, 6 секунды,

максимальная скорость пальца – 2,98 м/с.

Вывод: Сильнее всех по камушку ударил Давыдов Арсений, у него самые быстрые пальцы.

Заключение:

В своей работе мы рассмотрели организм человека глазами физика, а также изучили экспериментально, насколько это возможно в рамках школьной физической лаборатории.

Литература:

1. Учебник физики «Физика- 7» под редакцией А.В.Перышкина, М, изд. Дрофа, 2014 год.

2. Сеть Интернет.

3. «Занимательная физика» под редакцией Перельмана, М, изд. «Просвещение», 1985 год.