«Человек и Физика»

Исследовательская работа по физике «Человек и Физика»

Автор работы:
Кайзеров Дмитрий
ученик 9 класса

Руководитель: 
Филимонов А.А.
учитель физики

1. Введение

В современном мире, где скорость имеет главное значение, люди, которые медленно реагируют на происходящие события, рискуют опоздать на праздник жизни. Работодатели предпочитают набирать в свои компании быстрых и энергичных сотрудников, а предприниматели, быстро реагирующие на изменения рынка всегда успешнее, чем медленные и неторопливые. Даже оказавшись в темном переулке с преступниками человек, обладающий хорошей реакцией, имеет больше шансов сохранить здоровье и свое имущество. Как ни крути, реакция в нашей жизни имеет большое значение.

Под реакцией подразумевают осознанный ответ на определенное внешнее воздействие; она является одним из проявлений такого физического качества, как быстрота. Скорость реакции имеет огромное значение не только в спорте, но и в обычной жизни, наполненной стрессовыми ситуациями и техногенными опасностями. Я считаю, что скорость реакции необходимо тренировать учащимся, которые готовятся к сдаче итоговой аттестации. Насколько быстро выпускник быстро может реагировать на поставленные вопросы, зависит его результат. Поэтому я считаю, что данная проблема актуальна и заслуживает внимание. Чтобы узнать, как развить реакцию, нужно понять ее составляющие в человеческом организме. Но как развить скорость реакции, тем, кто ею не обладает?

Мало кто знает или хотя бы задумывался над тем, от чего же зависит скорость реакции? Как ее измерить? И можно ли ее улучшить? Как вы видите вопросов много, а ответов практически нет. В ходе своего исследования я постараюсь ответить на возникшие вопросы.

Цель: исследовать зависимость времени реакции человека от различных факторов.

Задачи:

1. Изучить понятие « время реакции» человека.
2. Используя оборудование физической лаборатории научиться измерять время реакции человека.
3. Выяснить от каких факторов зависит время реакции человека.

2. Основная часть

2.1. Историческая справка

Первые исследования времени произвольной реакции человека были проведены в начале XIX в. астрономами.

Необходимость в них возникла после того, как было обнаружено, что наблюдатели, засекающие момент прохождения звезды через меридиан, дают разные показания. Анализ этих данных, накопленных в течение нескольких лет, показал, что ошибки наблюдателей не являются случайными, а характеризуют индивидуальную скорость реагирования каждого наблюдателя.

Известный астроном Ф.Бессель, обнаруживший этот феномен, первым провел хронометрический эксперимент (1823 г.), в котором измерил время реакции человека на внезапный раздражитель. С этого момента время реакции человека стало объектом исследования многих астрономов (Араго, 1842; Гирш, 1861; Вольф, 1865 и т.д.).

Эти исследования привлекли внимание физиологов и психологов. Немецкий физиолог Г.Гельмгольц, интересовался проблемой скорости передачи возбуждения по центростремительным нервам у человека.

Опираясь на исследования Гельмгольца, Ф.Дондерс и З.Экснер пытались подойти с помощью хронометрического эксперимента к физиологическому анализу собственно психических процессов. З.Экснер (1873) сосредоточил свое внимание на простейшей форме реакций, осуществляемых в ответ на зрительные, слуховые и электрокожные сигналы.

З.Экснер ввел термин «время реакции», определив его как время, необходимое для того, чтобы «сознательным образом отвечать на определенное чувственное впечатление».

С именем Ф.Дондерса связана в первую очередь классификация произвольных реакций человека и попытка измерить время собственно психического звена этих реакций.

В школе В.Вундта хронометрический эксперимент получил свое дальнейшее методическое развитие, хотя интерпретация хронометрических данных носила крайне субъективистский характер.

Систематическому исследованию была подвергнута простая реакция. Было показано, как время простой реакции зависит от характера реакций, интенсивности сигнала.

Классическая хронометрическая методика находит весьма широкое применение в современной психологии, при решении как общетеоретических, так и прикладных задач психологии.

Измерение ВР в зависимости от степени сложности ситуации показывает, что основная часть ВР приходится на долю собственно психического звена и дает возможность рассматривать ее как параметр, характеризующий длительность процесса переработки информации.

По степени сложности произвольные реакции человека можно разделить на следующие 3 класса:

1) простая реакция,

2) реакция различения,

3) реакция выбора.

2.2. Время реакции человека?

Время реакции: промежуток времени между стимулом (свет, звук, и т.д.) и реакцией организма. [1]

Время реакции на раздражители различно.  Самое короткое время реакции получается в ответ на слуховые раздражители. Более продолжительное — на световые и самое длинное — на обонятельные, вкусовые и температурные. Время реакции еще более зависит от сложности решаемой испытуемым задачи. Временем простой реакции называется время реакции на появление любого раздражителя, на каждый из которых требуется осуществлять одно и то же движение, напр. нажатие на электрический ключ. Более продолжительное время реакции получается при сложных реакциях, когда на одни раздражители требуется реагировать движением, а на др. — воздерживаться от движений (реакция простого выбора; она же называется реакцией различения) или на разные раздражители реагировать несколькими различными движениями (реакции сложного выбора). Самое короткое время реакции у здорового взрослого человека приближается к 100 мс. У детей и у пожилых людей время реакции несколько продолжительнее, чем у взрослых лиц молодого и среднего возраста.

Существуют разные способы измерения времени реакции. В простейшем случае, организм должен проявить одну реакцию на один специфический стимул; в других случаях измеряется средний промежуток времени между несколькими стимулами и соответствующими реакциями.

Постановка задачи измерения время реакции привела к созданию различных вариантов хронометрического метода исследования познавательных процессов.

В большинстве исследований время реакции задается в соответствии со словесной инструкцией и носит, таким  образом, произвольный характер.

При исследовании времени реакции особо важную роль играет выяснение зависимости времени реакции человека от количества информации. Оказывается, существует строго определенное количество информации, при котором ответные реакции человека и максимальной степени быстры и безошибочны.

Отрицательно: воздействие дает как перегрузка информации в процессе деятельности человека, так и недогрузка.

Представление количества информации, содержащейся в сигнале, через объем и параметры его измерения может являться очень эффективным инструментом для исследований, проводимых психологами по определению времени реакции человека в зависимости от количества информации, заложенной в стимуле.

2.3. Скорость реакции с точки зрения физиологии

Перед тем как говорить о скорости реакции мы должны выяснить, что что такое рефлекс. Ведь реакция на что-либо — это и есть рефлекс.

Рефлексом называют ответ организма на раздражение, происходящий при участии центральной нервной системы.

Рефлекс начинается с раздражения рецепторов. Рецепторы — это окончания чувствительных нервных волокон или специальные чувствительные клетки, преобразующие раздражения в нервные импульсы. По чувствительным нейронам возникшие в рецепторах импульсы достигают центральной нервной системы. Там эта информация обрабатывается вставочными нейронами. Последние находятся в пределах центральной нервной системы. После этого сигналы получают исполнительные нейроны, от которых зависит ответ. Они возбуждаются и посылают сигналы, вызывая работу мышц, желез. Внутренних органов, благодаря которым достигается нужный эффект.

Рефлекторной дугой называют путь, по которому сигналы от рецептора идут к исполнительному органу. В рефлекторную дугу входят рецепторы, чувствительные нейроны. Вставочные нейроны, исполнительные нейроны и рабочий орган.

Как мы видим, сигнал от раздражителя проходит длинный путь от раздражения рецепторов до рабочего органа, который и будет совершать действие.

Латентное время реакции — это определенное время, от начала действия раздражителя до момента реакции. Латентное время реакции определяется скоростью обмена веществ, является индивидуальной особенностью каждого организма.

Собственно о величине латентного времени и от чего оно зависит и будет идти речь в исследовательской работе.

2.4. Зависимость времени реакции от уровня тренированности, пола, возраста и различного рода влияний на организм. [2]

Экспериментально показано, что:

1. Под влиянием тренировки ВР не только укорачивается, но и стабилизируется, т.е. становится менее подверженным различного рода влияниям.

2. Укорочение времени реакции наиболее существенно в первые дни выполнения соответствующих упражнений.

3. Простая реакция поддается влиянию упражнений в заметно меньшей степени, чем реакция выбора. В частности, после лишь одного дня занятий время реакции выбора может сократиться на 30-40 %, тогда как простой сенсомоторной реакции - лишь на 10 %.

Каковы причины укорочения времени реакции после соответствующих тренировок? Известно, что всякий новый раздражитель сначала вызывает ориентировочную реакцию с более или менее обширной и длительной иррадиацией возбудительного процесса по коре больших полушарий, которая затем сменяется фазой концентрации. По мере повторения раздражителя имеет место привыкание, которое сопровождается все менее выраженной иррадиацией возбуждения с одновременным повышением динамичности возникающих нервных процессов. Постепенная редукция фазы иррадиации и достижение определенного уровня хронической (или статической) концентрации возбудительного процесса в коре, по-видимому, и являются одной из важнейших причин укорочения времени реакции в процессе тренировки.

Вторая причина, тесно связанная с первой, состоит в нарастающей по мере упрочения условных связей, стойкости корковых очагов возбуждения. Третья причина связана с изменением самой структуры временных связей, заменой более сложных второсигнальных ассоциаций более простыми первосигнальными.
Начиная с 3,5-4 и до 18-20 лет время реакции неуклонно сокращается. Затем оно стабилизируется, а после 40 лет по мере старения постепенно возрастает.
В ряде исследований   отмечаются половые различия, состоящие в том, что среднее время реакции у девочек, по сравнению с мальчиками, и у женщин, по сравнению с мужчинами, несколько длиннее.

Морфин,  хлороформ в небольших дозах сначала увеличивают время реакции (на 60-100 мс), а затем несколько сокращают (на 25-30 мс) по сравнению с индивидуальной нормой. Алкоголь увеличивает время всех видов реакций и его вариабельность.

Этот эффект усиливается по мере увеличения его концентрации в организме.

Влияние кофеина на время реакции различно в зависимости от дозы и от свойств нервной системы. Согласно приводимым сведениям, в малых дозах препарат удлиняет время реакции по сравнению с нормой на 5-20% и даже более, что свидетельствует о снижении возбудимости ЦНС. При средних дозах (от 0,1 до 0,2 г) время реакции, напротив, сокращается (на 15-30 %), достигая своего минимума. Однако при увеличении дозы свыше 0,3 г время реакции вновь увеличивается и превышает исходный уровень на 15-20 % и более. При этом у обследуемых с сильной нервной системой после приема кофеина наблюдается более существенное сокращение времени реакций, чем у лиц со слабой нервной системой.

3. Экспериментальная часть

3.1. Равноускоренное движение тел

Движение физических тел изучалось с незапамятных времен. Элементарные задачи описания движения сегодня изучают уже в начальной школе. Например, все знают, что если автомобиль равномерно движется со скоростью 20 км/ч, то за 1 час он проедет 20 км, за 2 часа — 40 км, за 3 часа — 60 км и т.д. И до тех пор, пока машина движется с постоянной скоростью (стрелка спидометра не отклоняется от заданного деления на его шкале), рассчитать пройденное расстояние труда не составляет — достаточно умножить скорость машины на время, которое она находится в пути. Этот факт известен настолько давно, что имя его первооткрывателя наглухо затерялось в тумане античных времен.

Сложности возникают, как только объект начинает двигаться с переменной скоростью. Трогаетесь вы, к примеру, от светофора — и стрелка спидометра ползет от нуля вверх, пока вы не отпустите педаль газа и не нажмете педаль тормоза. На самом деле стрелка спидометра на месте практически не стоит — она всё время движется вверх или вниз. В начале каждой отдельно взятой секунды реальная скорость машины одна, а в конце секунды — уже другая, и пройденный ею за секунду путь точно рассчитать не так-то просто. Эта проблема — описание движения с ускорением — волновала естествоиспытателей уже очень давно. Но первому описать движение с ускорением удалось Галилео Галилею.

Сам же Галилео Галилей подошел к ней новаторски (с помощью опытов).

Сама идея проведения физических экспериментов была в то время по-настоящему радикальной. Идея опыта Галилео заключалось в том, что тело, падающее на землю под действием силы тяжести, движется с ускорением (т.е. в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю). Если мы сможем описать падение предмета на землю, мы затем сможем распространить это описание и на общий случай равноускоренного движения.

Сегодня измерить динамику падения предмета не сложно — можно с большой точностью зафиксировать время от начала падения до любой промежуточной точки. Однако во времена Галилея точных секундомеров не было, да и любые механические часы по современным стандартам были весьма примитивны и неточны. Поэтому ученый первым делом разработал экспериментальный аппарат, позволяющий обойти эту проблему. Во-первых, он «разбавил» силу тяжести, замедлив время падения до разумных, с точки зрения имеющихся инструментов измерения, пределов, а именно — заставил тела скатываться по наклонной плоскости, а не просто падать отвесно. Затем он придумал, как обойти неточность современных ему механических часов, натянув на пути скатывающегося по наклонной поверхности шара ряд струн, чтобы он задевал их по дороге и можно было хронометрировать его движение по извлекаемым звукам. Раз за разом спуская шар по наклонной под рядом струн, Галилей перемещал струны, пока не добился, чтобы шар на всем своем пути, задевая натянутые струны, извлекал звуки через равные промежутки времени.

В конце концов, Галилею удалось накопить достаточный объем экспериментальной информации о равноускоренном движении. Тело, стартующее из состояния покоя, далее двигалось с ускорением. В переводе на язык математических символов равноускоренное движение описывается следующими уравнениями:

где a — ускорение,

v — скорость,

s — расстояние, пройденное телом за время t.

Чтобы прочувствовать смысл этих уравнений, достаточно пристально пронаблюдать за падением предметов. Скорость падения зримо возрастает со временем, прошедшим с начала падения. Это следует из первого уравнения. Очевидно и то, что в процессе падения на прохождение первой части пути у тела уходит больше времени, чем на оставшуюся часть пути. Именно это и описывает вторая формула, поскольку из неё следует, что чем дольше тело ускоряется, тем больший отрезок пути оно преодолевает за одно и то же время.

Галилео Галилей прошел длинный путь для того, чтобы вывести формулу ускорения свободного падения. Это усложнялось и тем, что в его время не было точных приборов, которыми мы располагаем сейчас. Он был своего рода новатором (основоположником эксперимента), использовал обыденные вещи так, как никто не использовал до него. Видимо, именно поэтому он вошел в историю как великий физик.

3.2. Ускорение свободного падения

Поскольку сила тяжести, действующая на каждое тело вблизи поверхности земли, постоянна, то свободно падающее тело должно двигаться с постоянным ускорением, т.е. равноускоренно (это вытекает из второго закона Ньютона).

Свободное падение тел описывается теми же формулами, что и равноускоренное движение . Только вместо a, обозначающего проекцию произвольного ускорения, ставят g, подчеркивая тем самым, что любое свободно падающее тело движется с ускорением свободного падения. Поэтому формула выглядит так:

3.3. Создание прибора основанного на явлении свободного падения

Как же нам измерит скорость реакции человека?

Кажется, здесь нет ничего сложного. Берем секундомер и засекаем время от начала действия раздражителя до реакции. Но! Даже у людей с плохой реакцией — это доли секунды. А мы не располагаем приборами для точного измерения такого маленького времени.

Вот тут-то нам и проходит на помощь ускорение свободного падения.

Из формулы ускорения свободного падения мы можем с легкостью выразить время при условии, что нам известно расстояние.

Т.е. опыт выглядит следующим образом: испытуемый (тот, у кого мы измеряем скорость реакции), должен поймать тело, падающее вниз со скоростью ускорения свободного падения. Далее, мы измеряем расстояние от начала движения тела до момента, когда оно было поймано и узнаем время через формулу.

Для удобства измерения расстояния за падающее тело можно сразу взять обычную школьную линейку. Тогда опыт выглядит так: линейка располагается так, чтобы отметка ноль совпала с верхней частью ладони испытуемого (который уже готов поймать линейку в любой момент). Отпускаем линейку и подопытный ловит ее. Нужное нам расстояние — это та отметина, которая теперь совпадает с верхней частью ладони. И далее опять-таки узнаем время, выразив его через формулу.

Но зачем же нам каждый раз подставлять в формулу новые значения, если мы сразу можем нанести их на линейку? Т.е. мы заранее вычисляем какое расстояние пройдет тело за единицу времени и наносим на линейку новую шкалу (заменяем сантиметры на секунды). Таким образом, мы создадим прибор для измерения скорости реакции человека.

Итак, приступим.

Нам нужно вычислить какое расстояние пройдет тело за единицу времени, т.к. тело (линейка) падает вниз равноускорено, то расстояние, которое оно проходит за долю секунды будет с каждым разом увеличиваться. Следовательно, у нашей шкалы не будет одной и той же цены деления и нам придется подставлять каждое значение t в формулу равноускоренного движения. Что я собственно и сделал.

Далее на обратной стороне линейки отмерил получившиеся расстояния и отметил подставленное время. Тем самым мы получили новую шкалу. Теперь у нас есть прибор для измерения скорости реакции человека и мы можем проводить исследования.

3.4. Исследование на тему «Исследование скорости реакции человека»

Цель: выяснить, как измерить скорость реакции и возможно ли улучшить время реакции человека.

Задачи:

1. Создать прибор для измерения времени реакции на основе явления свободного падения.
2. Выяснить от каких факторов зависит время реакции человека.
3. На основе полученных результатов разработать памятку тренировки скорости реакции человека.

Теперь, с помощью исследования я постараюсь ответить на возникшие вопросы.

Исследования проводились среди учеников моей школы. В эксперименте принимали учащиеся 1-4 классов начальной школы; 5-8 классов среднего звена; 9,10, 11 классов старшего звена.

Если позволить вертикально расположенной линейке свободно падать (например, разжав державшие ее за конец пальцы) то она будет двигаться вниз равноускорено с ускорением 9,8 м/с.

Если сразу после начала падения линейку поймать, то по ее участку (h) между пальцами – отметкой где мы ее держали вначале и отметкой, у которой поймали можно судить о том, сколько времени она падала. Это время и будет равно времени реакции человека. Остается связать участок пути h и время t падения.
В это и состоит идея создания прибора: используя законы свободного падения, рассчитать путь, пройденный свободнопадающем телом за время t.

Заполнил таблицу:

На основе полученных результатов проградуировал линейку в соответствии с табличными данными. Осталось произвести измерения с помощью полученного прибора.

Для точности я трижды производил измерения и вычислял среднее арифметическое для каждого участника эксперимента. Затем среднее значение времени реакции для каждого класса. При этом спрашивал, занимается ли спортом участник эксперимента.

Делая вывод по полученным результатам исследования можно отметить, что среднее значение времени реакции зависит от количества учащихся занимающихся спортом. Это подтверждает гипотезу о том, что занятие спортом позволяет увеличить значение времени реакции. Данный факт прослеживается в диаграмме. (приложение 2) Так же хочется обратить внимание на результат 6, 9 и 10 классов.  Начиная работать по данной проблеме, я консультировался у медицинских работников нашей амбулатории, которые мне пояснили, что скорость реакции человека зависит от возрастных особенностей организма человека. По данной проблеме я планирую продолжить работу на следующий год. А так же изучить зависимость времени реакции от рода деятельности, т.е. предложить участие  в исследовании родителям и педагогам.

4. Заключение

Возвращаясь к интерпретации понятия в большом энциклопедическом словаре. [1] 

«Время реакции человека – это интервал времени от момента поступления сигнала до ответной реакции организма. Среднее время реакции (0,15-0,4 сек)» 
Время реакции является одним из главных критериев, по которому можно судить о пригодности человека к многим  профессиям. Оно зависит от возраста, тренированности, самочувствия, состояния нервной системы.

В современном городе все постоянно находится в движении. Все шумит, гудит,  автомобили несутся по дороге с высокой скоростью, да и пешеходы им не уступают, все куда-то опаздывают, спешат, бегут. Но если ты сам по себе немного медлителен, не расторопен, то ежедневно ты ощущаешь себя черепахой, жизнь как будто проходит мимо, а ты все ползешь.

Именно это и заставляет нас задуматься о скорости реакции, о возможности ее  улучшить, изучить ее изнутри, чтобы перестать ощущать себя той самой черепахой. Именно такую цель я поставила себе в исследовательской работе.

Для начала было накоплено достаточно материала для проведения исследования (изучил понятие «скорость реакции», зависимость от факторов); далее создал прибор и провёл исследование при помощи прибора, основанного на явлении свободного падения; и конечно получил выводы (как улучшить скорость реакции). На основе полученных данных разработал буклет «Как улучшить скорость реакции ученика при подготовке к итоговой аттестации».

Физика нам пригодилась не только в самих вычислениях, но и в создании прибора, с  помощью которого проводились исследования. Мы в буквальном смысле вывели все формулы заново, хотя, вернее будет сказать, мы проследили путь их появления.

Результатом исследований является то, что скорость реакции существенно зависит от  возраста и занятием спортом. Но не все так просто. Зависимость от возрастных особенностей организма существенна.

На основе этого мы можем также сделать вывод о том, что человек может улучшить  скорость реакции. Для этого ему достаточно начать заниматься спортом или даже тренировать с помощью определённых упражнений, но как показала практика, с возрастом скорость реакции в любом случае ухудшается. Поэтому все это надо учитывать. А вот с занятиями спортом все проще, вы улучшаете не только скорость реакции, но и поправляете здоровье, а главное это полезно в любом возрасте (в разумных пределах конечно).  Так что если вы заторможенная личность и вам это не нравится, то занимайтесь спортом и все будет выходить быстро и просто.

Информационные ресурсы

1. Большой психологический словарь. — М.: Прайм-ЕВРОЗНАК. Под ред. Б.Г.Мещерякова, акад. В.П.Зинченко. 2003.

2. http://nsportal.ru

3. http://www.psychology-online.net

4. http://psychology.academic.ru

5. http://allrefs.net

6. http://ped-kopilka.ru